Zirkumgalaktisches Wetter: bewölkt und windig

„eROSITA hat eine sehr hohe Winkelauflösung, sodass wir die verschiedenen Quellen der Röntgenstrahlung gut auseinanderhalten können“, freut sich Locatelli über die qualitativ hochwertigen Daten. „Damit konnten wir nun auch die Gestalt des zirkumgalaktischen Mediums bestimmen.“ Die Gasmassen konzentrieren sich näher an der galaktischen Scheibe als bislang gedacht; sie sind nicht kugelrund verteilt, sondern diskusförmig abgeflacht.

Solange dieses Gas Millionen Grad heiß ist, kann es nicht in die Galaxie absinken. „Es gibt aber auch deutlich kühlere Bereiche im zirkumgalaktischen Medium“, bemerkt Lutz Wisotzki und betont, dass erst jetzt die außerordentliche Dynamik und Bandbreite an physikalischen Bedingungen im zirkumgalaktischen Medium verständlich werden. „Früher dachte man, dass Galaxien von relativ statischen, heißen Gasmassen umgeben sind, die nur einen langsamen Austausch mit dem interstellaren Medium im Innern von Galaxien durchmachen“, sagt der Professor für Astrophysik am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam.

Dieses Bild habe sich gründlich gewandelt, ergänzt Richter: „Anstelle einer homogenen Gasblase kann man sich das zirkumgalaktische Medium eher wie den Wolkenhimmel vorstellen, der ebenso wie dieser von kleinskaligen Strukturen und auskondensierten, wolkenartigen Bereichen durchzogen ist.“ Nur dass solche Wolken nicht aus Wassertröpfchen bestehen und einige Kilometer lang sind. Vielmehr handelt es sich hier um lichtjahregroße Konglomerate aus Gasfilamenten, die im Unterschied zum diffusen Gas lediglich Temperaturen von etlichen tausend bis zehntausend Grad Celsius haben. „Diese wolkenartigen Strukturen können große Mengen an Gas in eine Galaxie wie unsere Milchstraße hineintransportieren, wo sie dann als Rohmaterial für die Sternentstehung dienen“, sagt Wisotzki.

Identifizieren lassen sich die Wolken anhand ihrer Geschwindigkeit: Sie sind um ein Vielfaches schneller als die gewöhnliche Materie in unserer Galaxie und können mehrere hundert Kilometer pro Sekunde erreichen, das heißt etwa das Zehnfache der gewöhnlichen Materie in der Milchstraße. Und sie bewegen sich unabhängig von der normalen Rotation in Galaxien.

Blasen platzen

Das zirkumgalaktische Medium wirkt nicht nur nach innen, gleichsam als Motor der Galaxienentwicklung. Zugleich sorgen Regionen mit starker Sternentstehung und damit einhergehenden Supernovae innerhalb einer Galaxie dafür, dass sich das interstellare Medium in der Umgebung stark aufgeheizt. Dadurch steigt es wie eine Blase im Kochtopf nach oben, stößt also aus der galaktischen Scheibe in das zirkumgalaktische Medium vor.

Solche Vorgänge vollziehen sich in sehr vielen sternbildenden Galaxien. Dabei nehmen sie Elemente von ehemaligen Sternwinden mit sowie solche, die in den Sternexplosionen erst entstanden sind. Es gibt also einen regen Materialaustausch zwischen einer Galaxie mit ihren Außenbereichen.

„Die aufsteigende Gasblase reißt Material aus der Nähe mit, bis sie schließlich platzt und ihr Inhalt in die galaktische Umgebung hinausströmt“, erklärt Wisotzki. Die Blase platzt deshalb, weil der Außendruck des interstellaren Mediums mit der Entfernung von der Galaxie stetig abnimmt. Dabei entsteht eine Mischzone zwischen dem interstellaren und dem zirkumgalaktischen Medium. Denn in den Außenbereichen einer Galaxie gibt es zwar noch Sterne, aber immer weniger.

Verdächtige Fingerabdrücke

Mithilfe von Instrumenten wie den Spektrografen MUSE und UVES (Multi Unit Spectroscopic Explorer und UV-visual Echelle Spectrograph) am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in der chilenischen Atacama-Wüste suchen die Forscher nach verdächtigen Signaturen in diesen Gasströmen. „Wir schauen nach den Spektrallinien von Kohlenstoff, Sauerstoff und anderen Elementen. Daraus können wir nicht nur etwas über die Herkunft des Gases lernen, sondern auch über die physikalischen Bedingungen in den Wolken – wie Temperatur, Dichte und Ionisationsgrad“, erläutert Wisotzki.

Dazu nutzen die Wissenschaftler unter anderem eine Technik namens Quasar-Absorptionsspektroskopie: Das Licht weit entfernter Quasare – hell leuchtender Galaxienzentren – scheint auf dem Weg zu uns auch durch das zirkumgalaktische Medium, wobei ein Teil des Lichts von Materie absorbiert wird und die entsprechenden Spektrallinien sichtbar werden.

„So können wir nicht nur das zirkumgalaktische Medium der Milchstraße beobachten, sondern auch das von weiter entfernten Galaxien“, ergänzt Richter. „Dadurch haben wir einerseits den Ursprung verschiedener Hochgeschwindigkeitswolken in der Milchstraße bestimmt und andererseits die Zusammensetzung des zirkumgalaktischen Mediums in entfernten Galaxien ermittelt.“

Die Zusammensetzung der Elemente im zirkumgalaktischen Medium bildet den „Fingerabdruck“ zur Identifizierung der Materialherkunft. „Hier hat es in den letzten Jahren dank der neuen Instrumente und Methoden einen riesigen Fortschritt gegeben“, freut sich Richter. „Das erlaubt ganz neue, faszinierende Einblicke – auch zu kosmologischen Fragestellungen.“ Denn wenn man die Dynamik des zirkumgalaktischen Mediums besser versteht, dann lassen sich auch bessere Modelle für die Galaxienentwicklung im frühen Universum entwerfen.

Gestohlenes Gas

„Das zirkumgalaktische Medium ist sozusagen die Durchgangsstation für Materie, aus der dann in der galaktischen Scheibe Sterne entstehen können“, sagt Wisotzki. „Dazu müssen sich bestimmte Bereiche abkühlen und verdichten, um dann wie Wolken wieder in Richtung der Scheibe zu fallen. Dort treffen sie auf die normale interstellare Materie, verdichten sich weiter und bringen gegebenenfalls große Sternentstehungsgebiete hervor.“

Doch woher kommt all das Material? „Ein großer Teil ist unverbrauchtes Gas, also im wesentlichen Wasserstoff und Helium, das aus der Frühzeit der Galaxie übrig ist“, erklärt Wisotzki. „Dazu kommt dann zum einen Gas aus der Galaxie selbst – die aufgestiegenen Blasen – sowie Gas aus dem intergalaktischen Medium und aus anderen Galaxien.“

So hat etwa die Milchstraße ihren Begleitgalaxien, der Kleinen und Großen Magellanschen Wolke, bereits einen Großteil ihres Gases genommen – vermutlich in mehreren Etappen über die letzten paar hundert Millionen Jahre. Diese riesigen Gasmassen umkreisen vor allem den südlichen Bereich unserer Galaxie. Mit den modernsten Teleskopen wie dem VLT und hochspezialisierten Kameras untersuchen die Forscher solche Gasströme, die sich quer über den Himmel verteilen.

„Der sogenannte Magellansche Strom stellt die mit Abstand größte Zusammenballung von Hochgeschwindigkeitswolken im zirkumgalaktischen Medium dar“, erläutert Richter. „Er umspannt den gesamten Südhimmel und hat eine Gesamtmasse von rund zehn Milliarden Sonnenmassen – das ist gewissermaßen Gas-Raub im großen Stil, denn der Magellansche Strom weist mehr Gas auf als das interstellare Medium in den Magellanschen Wolken selbst!“

Ein Blick auf ferne Galaxien

Künftig wollen die Forscher verstärkt weit entfernte Galaxien untersuchen. Dabei kommt ihnen sogar die Ausdehnung des Weltraums entgegen: Denn viele der wichtigen Spektrallinien befinden sich im Ultraviolett und müssen deswegen mit einem Weltraumteleskop wie Hubble aufgenommen werden, weil die Erdatmosphäre diese Strahlung nicht durchlässt. Doch das Licht von vielen Milliarden Lichtjahren entfernten Galaxien ist stark rotverschoben – die Spektrallinien sind also vom Ultravioletten in den sichtbaren oder Infrarotbereich gewandert, wo sie mit Instrumenten wie dem MUSE-Spektrographen von irdischen Großteleskopen aufgenommen werden können.

„Die kommenden, extrem hochauflösenden Spektrografen bei den gerade in Bau befindlichen Superteleskopen wie dem Extremely Large Telescope werden uns unglaubliche Einblicke in das frühe Universum liefern“, freut sich Wisotzki. „Damit können wir diese Galaxien mitsamt ihrem zirkumgalaktischen Medium im Detail studieren und endlich viele offene Fragen klären – etwa ob Scheibengalaxien von innen nach außen wachsen oder umgekehrt, oder wie schnell Galaxien das Material in ihrer Scheibe mit dem zirkumgalaktischen Medium austauschen.“

Um das zirkumgalaktische Medium der Milchstraße besser studieren zu können, braucht es allerdings einen Nachfolger für das Hubble-Weltraumteleskop. Ein solches Milliardenprojekt kann sich noch Jahrzehnte hinziehen. Aber Richter möchte gerne dabei mitwirken: „Ich werde dann zwar im Ruhestand sein, aber wir alle wollen ein gutes Teleskop auf den Weg bringen, mit dem die kommende Generation von Wissenschaftlern unsere Arbeit weiterführen kann.“  ■