The interstellar medium and star formation in nearby galaxies

  • Team

  • Dr. Rolf Güsten (PI, MPIfR)
  • Prof. Jürgen Stutzki (PI, PH1)
  • Dr. Edward Chambers (PH1)
  • Dr. Stefan Heyminck (MPIfR)
  • Dr. Ronan Higgins (PH1)
  • Dr. Bernd Klein (MPIfR)
  • Dr. Yoko Okada (PH1)
  • Dr. Juan-Pablo Perez-Beaupuits (MPIfR)
  • Dr. Miguel Requena-Torres (MPIfR)
  • Dr. Axel Weiß (MPIfR)

Überblick

„Unsere Forschung liefert eine repräsentative Erfassung der physikalischen Bedingungen in sternbildenden, dichten Galaxienkernen und zentralen galaktischen Scheiben.“

Die Entstehung von Sternen findet in einer Vielzahl verschiedener Umgebungen statt, je nachdem welchen Typ die Muttergalaxie besitzt, in welchem Entwicklungszustand sie sich befindet und wie damit zusammenhängend die lokalen physikalischen Bedingungen am Ort der Sternentstehung aussehen. All diese Faktoren unterliegen ihrerseits aber wiederum dem Einfluss der Sternentstehung selbst. Sterne interagieren mit ihrer Umgebung beispielsweise durch Winde, durch die von ihnen ausgesandte elektromagnetische Strahlung (C1) und schließlich durch gewaltige Supernovaexplosionen (C2). Durch diese Interaktionen üben sie einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung und das Erscheinungsbild ihrer Heimatgalaxie aus. Unsere Milchstraße ist nur ein spezielles Beispiel dafür, wie diese verschiedenen Wechselwirkungen ablaufen können. Um Sternentstehung und deren Auswirkung aber in ihrer gesamten Erscheinungsvielfalt verstehen zu können, ist es notwendig, Informationen aus möglichst vielen, verschiedenen Galaxien zusammen zu tragen, um systematisch den Einfluss verschiedener Umgebungen und physikalischer Bedingungen auf die Entstehung von Sternen zu entschlüsseln. Eine solche Studie von Sternentstehungsstätten am Beispiel naher Galaxien ist Ziel von Projekt A3.

In gasreichen Galaxien findet Sternentstehung besonders effizient im Kern statt. Solche Kerne, wie beispielsweise auch das Zentrum unserer Milchstraße (A5), stellen extreme Umgebungen mit hohen Gas- und Staubdichten dar. Man weiß, dass prinzipiell zwei verschiedene Prozesse die Bedingungen im Zentrum solcher Galaxien dominieren: zum einen die effiziente und schnelle Umwandlung von dichtem Gas in Sterne, sogenannte Starbursts, zum anderen die mögliche Existenz eines aktiven Kerns, d.h. eines supermassiven schwarzen Lochs, das aus seiner Umgebung mit hohen Raten Materie anzieht. Während ersterer Prozess sich insbesondere durch starke, von den gebildeten Sternen erzeugte Strahlungsfelder nachweisen lässt, zeigt sich die Wirkung des schwarzen Loches in heftigen Bewegungen des Gases, das gleichzeitig durch Reibungseffekte auf hohe Temperaturen geheizt wird. Die extremen Bedingungen im Kern gasreicher Galaxien können dafür genutzt werden, den Einfluss der dort herrschenden Dynamik und Energiebalance sowie der resultierenden, komplexen Chemie auf die Entstehung von Sternen zu studieren.

Sterne werden aber auch abseits des Kerns in den Scheiben von Spiralgalaxien gebildet. Die Beobachtung individueller Sternentstehungsregionen bei verschiedenen radialen Entfernungen vom jeweiligen Galaxienzentrum kann hier Aufschluss darüber liefern, wie das herrschende Strahlungsfeld, die vorliegende Gasdichte und der herrschende Anteil von Elementen schwerer als Helium die Entstehung von Sternen beeinflusst. Letztgenannter Einfluss kann außerdem studiert werden, indem metallarme Zwerggalaxien beobachtet werden.

All diese Untersuchungen basieren auf der Detektion charakteristischer Spektrallinien im sub-millimeter und ferninfraorten Wellenlängenbereich, mit denen das Gas des interstellaren Mediums seine Energie abstrahlt und damit kühlt. Projekt A3 nutzt Beobachtungen des Herschel Weltraumteleskops und des Flugzeugobservatoriums SOFIA zusammen mit Daten, die durch die in Chile befindlichen Teleskope APEX und NANTEN2 aufgenommen werden. Die Analyse der Herschel Daten ist bereits abgeschlossen oder in einem finalen Stadium. Beobachtet wurden Moleküllinien der durch die Kollision zweier Galaxien entstandenen Starburst Galaxie Arp220, der Sculptor-Galaxie, die ebenfalls als Starburst Galaxie bekannt ist, und der aktiven Spiralgalaxie NGC4945. Für die Sculptor Galaxie wurde mit dem Herschel Observatorium außerdem die spektrale Energieverteilung aufgenommen. Eine weitere umfangreiche Studie beschäftigt sich mit unserer Nachbargalaxie M33, bekannt auch als Dreiecksnebel, die zu unserer Sichtlinie so geneigt ist, dass sie fast frontal studiert werden kann. Hier werden Beobachtungen bei verschiedensten Wellenlängen dafür genutzt, die chemischen, energetischen und dynamischen Bedingungen in galaktischen Molekülwolken für unterschiedliche Entfernungen zum Galaxienzentrum zu bestimmen. Für Studien weiterer Galaxien, wie z.B. der bekannten Starburst Galaxie M82, der Spiralgalaxie IC342 oder der Magellanschen Wolken werden derzeit mit dem SOFIA Flugzeugobservatorium neue Daten der wichtigsten Kühlungslinien des interstellaren Mediums aufgezeichnet, die zentral dafür sind, den Ablauf und die Auswirkungen von Sternentstehung in einem galaktischen Kontext zu verstehen.

Ausgewählte Publikationen


 

In 2014
Israel,F., Güsten,R, Meijerink,R., Loenen,A.F., Requena-Torres,M.A., Stutzki,J., van der Werf,P., Harris,A.I, Kramer,C., Martin-Pintado,J., Weiß,A., 2014, A&A 562, A96

Rosenberg, M. J. F., Kazandjian, M. V., van der Werf, P. P., et al. Radiative and mechanical feedback into the molecular gas of NGC 253, A&A, 2014, 564, A126 (co-author: Güsten, R., Weiß, A.)

In 2013
Aladro, R., Viti, S., Bayet, E., et al., A λ=3 mm molecular line survey of NGC1068 Chemical signatures of an AGN environment. A&A, 2013, 549, 39 (co-authors: Requena-Torres, M., Weiß, A.).

Bolatto, A. D., Warren, Steven R., et al., Suppression of star formation in the galaxy NGC 253 by a starburst-driven molecular wind. Nature, 2013, 499, 450 (co-author: Weiß, A.).

Meijerink, R., Kristensen, L. E., Weiß, A., et al., Evidence for Co Shock Excitation in Ngc 6240 from Herschel Spire Spectroscopy. ApJ, 2013, 762 16.

Tabatabaei, F. S., Weiß, A.; Combes, F., Henkel, C., Menten, K. M., Beck, R., Kovács, A., Güsten, R., Cold dust in the giant barred galaxy NGC 1365. A&A, 2013, 555, 128.

In 2012
Galametz, M., Kennicutt, R. C., Albrecht, A., et al., Mapping the cold dust temperatures and masses of nearby KINGFISH galaxies with Herschel. MNRAS, 2012, 425, 763 (co-authors: Berotldi, F., Weiß, A.).

Pineda, J. L., Mizuno, N., Röllig, M., Stutzki, J., et al., Submillimeter line emission from LMC 30 Doradus: The impact of a starburst on a low-metallicity environment. A&A, 2012, 544, 84.

Röllig, M., Simon, R., Güsten, R., Stutzki, J., et al., [CII] gas in IC 342. A&A, 2012, 542, 22.

In 2011
Ao, Y., Henkel, C., Braatz, J. A., Weiß, A., Menten, K. M., Mühle, Ammonia (J,K) = (1,1) to (4,4) and (6,6) inversion lines detected in the Seyfert 2 galaxy NGC 1068. A&A, 2011, 529, 154.

Schruba, A., Leroy, A.K.; Walter, F., et al., A Molecular Star Formation Law in the Atomic-Gas-Dominated Regime in Nearby Galaxies. AJ, 2011, 142, 37 (co-author: Weiß, A.).

In 2010
Weiß, A., Requena-Torres, M. A., Güsten, R., et al., HIFI spectroscopy of low-level water transitions in M 82. A&A, 2010, 521, 1 (co-authors: Röllig, M., Stutzki, J).