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Abb. 1:
Optisches Bild und Spektrum zweier Beispielgalaxien: die elliptische Galaxie
NGC 5846 (oben) und die Spiralgalaxie NGC 450 (unten). Die Bilder auf der
linken Seite sind aus Aufnahmen in drei optischen Bändern (g,r,i)
zusammengesetzt (zur Verfügung gestellt von David W. Hogg, Michael R. Blanton
und der Sloan Digital Sky Survey Collaboration). Die zugehörigen optische
Spektren sind auf der rechten Seite dargestellt (schwarze Linie). Die
Emissionslinien, welche von ionisiertem Gas in der Umgebung junger Sterne
erzeugt werden, müssen entfernt werden, um die darunter liegende
Sternabsorption genau messen zu können (blaue Linie). Einige der wichtigsten
spektralen Merkmale sind hervorgehoben: der charakteristische Sprung bei
4000Å und die Balmer-Linien des Wasserstoffs Hγ und Hβ, deren Stärke
mit dem Alter der galaktischen Sternpopulationen verknüpft ist; die Linien Mgb
und Fe5335, welche mit der Anteil schwerer Elemente und deren relativen
Häufigkeiten in Sternen zusammenhängen. Das Spektrum der ellipstischen Galaxie
erscheint rot und zeigt markante Absorptionsmuster, was auf eine alte
Sternpopulation hinweist. Dagegen erscheint die Spiralgalaxie blauer und hat
relativ schwache Absorptionslinien, was auf eine jüngere Sternpopulation
hindeutet.
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Abb. 2:
Verteilung des Metallgehalts (links) und Alters (rechts) von
Sternen als Funktion der stellaren Masse von Galaxien aller
morphologischen Typen. Die durchgezogene Linie gibt den Median der
Verteilung an, die gestrichelten Linien begrenzen das zentrale
68%-Intervall. Sowohl Alter als auch Metallgehalt steigen mit
steigender Sternmasse. Im Bereich von 3·109 bis
3·1010 findet ein scharfer Übergang von jungen
metallarmen zu alten metallreichen Sternen statt.
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Abb. 3:
Die Verteilung lokaler elliptischer Galaxien im Farb-Helligkeitsdiagramm.
Farbcodiert sind Metallgehalt (a) und Alter (b) der Sterne, Sternmasse (c) und
das Verhältnis von Eisengehalt und Gehalt an α-Elementen (d). Mit
steigender Farbe und Helligkeit erhöhen sich auch die Sternmasse, das
Sternalter, Metallgehalt und das Verhältnis von Eisen zu α-Elementen.
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Die Eigenschaften heutiger Sternpopulation in Galaxien sind das Ergebnis ihrer
Sternbildungsgeschichte und chemischen Entwicklung. Die Bestimmung dieser
Eigenschaften sollte daher Aufschluss über jene Prozesse liefern, welche den
Galaxien ihr heutiges Aussehen gegeben haben. Die integrierten Spektren von
Galaxien enthalten wichtige Hinweise auf das Alter ihrer Sternpopulation und
ihren Gehalt an schweren Elementen (in der Astrophysik unter dem Begriff
"Metalle" zusammengefasst), welche bei Kernreaktionen in Sternen und
Supernova-Explosionen entstanden sind und später wieder in nachfolgenden
Sterngenerationen eingebunden wurden. Solche Informationen spiegeln sich in der
Stärke bestimmter Absorptionsmerkmale wider, welche durch Wasserstoff und
schwerere Elemente hervorgerufen werden (siehe Abb. 1) und sich mit dem Alter
und der chemischen Zusammensetzung der Sterne in der Galaxie verändern. Diese
Sterneigenschaften sind wiederum durch die Sternbildungsrate und den Kreislauf
von Produktion, Ausstoß und Wiederverwertung von Metallen in nachfolgenden
Sterngenerationen bestimmt. Mit Hilfe von Modellen, welche die Emission einer
Population von Sternen unterschiedlichen Alters und chemischer Zusammensetzung
beschreiben, können die Absorptionsmerkmale dann in physikalische Eigenschaften
der zu Grunde liegenden Sternpopulation übersetzt werden. Um möglichst alle
Informationen aus der Stärke der Absorptionsmerkmalen zu erhalten, benötigt man
jedoch Modelle mit einer hohen spektralen Auflösung, welche vergleichbar mit
der moderner spektroskopischer Himmelsdurchmusterungen ist.
Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA)
haben mittels eines neuen hoch-auflösenden "Population Synthesis"
Modells (siehe  Highlight
November 2002) optische Spektren einer großen Anzahl
naher Galaxien - von inaktiven elliptischen bis zu aktiven
sternbildenden interpretiert. Die knapp 200.000 Galaxien umfassenden
Daten wurden vom Sloan Digital Sky Survey ( SDSS), einem der ambitioniertesten
Projekte zur Kartierung des lokalen Universums, zur Verfügung
gestellt. Ein neuartiger statistischer Ansatz ermöglichte die
simultane Bestimmung physikalischer Parameter wie Alter, Metallgehalt
und Gesamtmasse der Sterne für eine sehr große
Galaxienstichprobe aus einer begrenzten Zahl optimal ausgewählter
Absorptionsmerkmale.
Mit den neuen Alters- und Metallgehaltsbestimmungen für nahe Galaxien und der
unübertroffenen Statistik konnten die Wissenschaftler des MPA eine vollständige
Übersicht über die physikalischen Parameter heutiger Galaxien und deren
Massenabhängigkeit erstellen. Dabei scheinen sich heutige Galaxien grob in zwei
Klassen zu gliedern, welche mit Hilfe der am MPA durchgeführten Forschung
quantitativ beschrieben werden können: Die eine Klasse umfasst massereiche,
alte, metallreiche Galaxien. Die andere Gruppe wird von masse- und metallarmen,
jungen Galaxien gebildet (siehe Abb. 2). Die Grenze zwischen den beiden Gruppen
liegt bei einer charakteristischen Sternmasse von 3·1010 Sonnenmassen.
Elliptische Galaxien dominieren oberhalb der kritischen Masse. Diese Galaxien
haben ihre Sternbildung überwiegend abgeschlossen. Ihre Eigenschaften sind über
verschiedene Skalenbeziehungen eng miteinander verbunden. Die
Farb-Helligkeitsrelation (siehe Abb. 3) beispielsweise verknüpft die Masse
elliptischer Galaxien mit den Eigenschaften ihrer Sternpopulationen. Eine
detaillierte Analyse der Beziehung zwischen Alter, Masse und chemischer
Zusammensetzung ergab dabei, dass massereiche elliptische Galaxien, deren
Sterne früher und in kürzerer Zeit entstanden sind, einen höhere
Anreicherungsgrad schwerer chemischer Elemente aufweisen, als massearme.
Alter und chemische Zusammensetzung der Sternpopulationen heutiger Galaxien
stellen grundlegende Randbedingungen für Modelle zur Sternbildung und
chemischen Entwicklung im Universum dar. Die am MPA durchgeführten Studien an
nahen Galaxien bilden dabei einen wichtigen Prüfstein für ähnliche Studien an
weiter entfernten Galaxien, welche eine direkte Bestimmung der
Sternbildungsgeschichte und chemischen Entwicklung von Galaxien ermöglichen
werden.
Anna Gallazzi und Stéphane Charlot
Publikationen:
The ages and metallicities of galaxies in the local universe,
2005, MNRAS, 362, 41 (astro-ph/0506539)
Ages and metallicities of early-type galaxies in the Sloan Digital Sky
Survey: new insight into the physical origin of the colour-magnitude
and Mg2--σV relations,
MNRAS accepted (astro-ph/0605300)
Weitere Informationen:
Stellar population synthesis at the resolution of 2003,
2003, MNRAS, 344, 1000 (astro-ph/0309134)
MPA/JHU value added catalog
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