The Elements of Life Mapped Across the Milky Way by SDSS/APOGEE

„Wir sind Sternenstaub“ mag ein Klischee sein, aber es ist eine unbestreitbare Tatsache, dass die meisten essentiellen Elemente des Lebens in Sternen hergestellt werden.

„Zum ersten Mal können wir jetzt die Verteilung der Elemente in unserer Galaxie untersuchen“, sagt Sten Hasselquist von der New Mexico State University. „Die Elemente, die wir messen, beinhalten die Atome, die 97% der Masse des menschlichen Körpers ausmachen.“

Die neuen Ergebnisse stammen aus einem Katalog von mehr als 150.000 Sternen; für jeden Stern enthält er die Menge von jedem der fast zwei Dutzend chemischen Elemente. Der neue Katalog enthält alle sogenannten „CHNOPS-Elemente“ – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel – die als Bausteine allen Lebens auf der Erde bekannt sind. Dies ist das erste Mal, dass Messungen aller CHNOPS-Elemente für eine so große Anzahl von Sternen gemacht wurden.

Woher wissen wir, wie viel von jedem Element ein Stern enthält? Natürlich können Astronomen keine Sterne besuchen, um eine Probe auszulöffeln, aus der sie bestehen, also verwenden sie stattdessen eine Technik namens Spektroskopie, um diese Messungen durchzuführen. Diese Technik spaltet das Licht – in diesem Fall das Licht von fernen Sternen – in detaillierte Regenbögen (Spektren genannt) auf. Wir können herausfinden, wie viel jedes Element in einem Stern enthalten ist, indem wir die Tiefe der dunklen und hellen Flecken in den Spektren messen, die von den verschiedenen Elementen verursacht werden.

Die Astronomen des Sloan Digital Sky Survey haben diese Beobachtungen mit dem APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) Spektrographen am 2,5 m Sloan Foundation Telescope am Apache Point Observatory in New Mexico gemacht. Dieses Instrument sammelt Licht im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums und zerstreut es wie ein Prisma, um die Signaturen verschiedener Elemente in den Atmosphären von Sternen aufzudecken. Ein Teil der fast 200.000 von APOGEE untersuchten Sterne überschneidet sich mit der Stichprobe der NASA-Kepler-Mission, die auf die Suche nach potenziell erdähnlichen Planeten ausgerichtet ist. Die heute vorgestellte Arbeit konzentriert sich auf neunzig Kepler-Sterne, die Anzeichen dafür zeigen, dass sie felsige Planeten beherbergen, und die auch von APOGEE vermessen wurden.

Während der Sloan Digital Sky Survey vielleicht am besten für seine schönen öffentlichen Bilder des Himmels bekannt ist, ist er seit 2008 eine reine spektroskopische Durchmusterung. Die aktuellen stellarchemischen Messungen verwenden einen Spektrographen, der infrarotes Licht wahrnimmt – den APOGEE-Spektrographen (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment), der auf dem 2,5-Meter-Sloan-Foundation-Teleskop am Apache Point Observatory in New Mexico montiert ist.

Jon Holtzman von der New Mexico State University erklärt, dass „APOGEE durch die Arbeit im infraroten Teil des Spektrums Sterne in einem viel größeren Bereich der Milchstraße sehen kann, als wenn es versuchen würde, im sichtbaren Licht zu beobachten. Infrarotlicht durchdringt den interstellaren Staub, und APOGEE hilft uns, einen breiten Bereich von Wellenlängen im Detail zu beobachten, so dass wir die von Dutzenden verschiedener Elemente erzeugten Muster messen können.“

Der neue Katalog hilft den Astronomen bereits, ein neues Verständnis der Geschichte und Struktur unserer Galaxie zu gewinnen, aber der Katalog zeigt auch eine klare menschliche Verbindung zum Himmel. Wie der berühmte Astronom Carl Sagan sagte: „Wir sind aus Sternenmaterial gemacht.“ Viele der Atome, aus denen Ihr Körper besteht, wurden irgendwann in der fernen Vergangenheit im Inneren von Sternen geschaffen, und diese Atome haben eine lange Reise von diesen alten Sternen zu Ihnen gemacht.

Während der Mensch zu 65% aus Sauerstoff besteht, macht Sauerstoff weniger als 1% der Masse aller Elemente im Weltraum aus. Sterne bestehen größtenteils aus Wasserstoff, aber kleine Mengen von schwereren Elementen wie Sauerstoff können in den Spektren von Sternen nachgewiesen werden. Mit diesen neuen Ergebnissen hat APOGEE mehr von diesen schwereren Elementen in der inneren Galaxie gefunden. Sterne in der inneren Galaxie sind auch älter, was bedeutet, dass mehr der Elemente des Lebens in den inneren Teilen der Galaxie früher synthetisiert wurden als in den äußeren Teilen.

Während es Spaß macht, darüber zu spekulieren, welchen Einfluss die Zusammensetzung der inneren Galaxie auf die Entstehung von Leben haben könnte, verstehen wir die Entstehung von Sternen in unserer Galaxie viel besser. Weil die Prozesse, die jedes Element produzieren, in bestimmten Arten von Sternen auftreten und mit unterschiedlichen Raten ablaufen, hinterlassen sie spezifische Signaturen in den chemischen Häufigkeitsmustern, die von SDSS/APOGEE gemessen wurden. Das bedeutet, dass der neue Elementhäufigkeitskatalog von SDSS/APOGEE Daten liefert, die mit den Vorhersagen von Modellen der Galaxienentstehung verglichen werden können.

Jon Bird von der Vanderbilt University, der an der Modellierung der Milchstraße arbeitet, erklärt, dass „diese Daten nützlich sein werden, um Fortschritte beim Verständnis der galaktischen Evolution zu machen, da immer mehr und detailliertere Simulationen der Entstehung unserer Galaxie gemacht werden, die komplexere Daten zum Vergleich benötigen.“

„Es ist eine großartige Geschichte von menschlichem Interesse, dass wir jetzt in der Lage sind, die Häufigkeit aller wichtigen Elemente, die im menschlichen Körper gefunden werden, über Hunderttausende von Sternen in unserer Milchstraße zu kartieren“, sagte Jennifer Johnson von der Ohio State University. „Das erlaubt uns, Einschränkungen darüber zu machen, wann und wo in unserer Galaxie das Leben die notwendigen Elemente hatte, um sich zu entwickeln, eine Art ‚zeitliche galaktische bewohnbare Zone‘.“

Der Katalog der chemischen Häufigkeiten, aus dem diese Karten generiert wurden, wurde als Teil der dreizehnten Datenveröffentlichung der SDSS öffentlich gemacht und ist für jedermann frei online verfügbar unter www.sdss.org.

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Über den Sloan Digital Sky Survey

Die Finanzierung des Sloan Digital Sky Survey IV wurde von der Alfred P. Sloan Foundation, dem U.S. Department of Energy Office of Science und den teilnehmenden Institutionen bereitgestellt. Die SDSS bedankt sich für die Unterstützung und die Ressourcen des Center for High-Performance Computing an der Universität von Utah. Die SDSS-Webseite ist www.sdss.org.

SDSS wird vom Astrophysical Research Consortium für die teilnehmenden Institutionen der SDSS Kollaboration verwaltet, einschließlich der brasilianischen Teilnehmergruppe, der Carnegie Institution for Science, der Carnegie Mellon University, der chilenischen Teilnehmergruppe, der französischen Teilnehmergruppe, dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Instituto de Astrofísica de Canarias, The Johns Hopkins University, Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (IPMU) / University of Tokyo, Lawrence Berkeley National Laboratory, Leibniz Institut für Astrophysik Potsdam (AIP), Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA Heidelberg), Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA Garching), Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE), National Astronomical Observatories of China, New Mexico State University, New York University, University of Notre Dame, Observatório Nacional / MCTI, The Ohio State University, Pennsylvania State University, Shanghai Astronomical Observatory, United Kingdom Participation Group, Universidad Nacional Autónoma de México, University of Arizona, University of Colorado Boulder, University of Oxford, University of Portsmouth, University of Utah, University of Virginia, University of Washington, University of Wisconsin, Vanderbilt University, and Yale University.