„Nyx“ aus dieser Galaxie: 250 außergalaktische Sterne in der Milchstraße gefunden

Früher mussten Astronomen viel schauen und zeichnen und ab und zu einige Algorithmen verwenden. Aber das ist jetzt nicht mehr wirklich möglich, erklärte Dr. Lina Necib vom Texas Advanced Computing Center der University of Texas. „Wir können nicht Millionen Sterne der Milchstraße anstarren und herausfinden, was sie tun.“

Seit 2013 beobachtet das Weltraumobservatorium „Gaia“ der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) den Sternenhimmel. Ziel der ESA ist eine genaue dreidimensionale Karte von etwa einer Milliarde Sternen unserer Galaxie und darüber hinaus.

„Von einigen davon, etwa sieben Millionen Sternen, haben wir 3D-Daten. Das bedeutet, dass wir genau wissen können, wo sich ein Stern befindet und wie er sich bewegt“, erklärte Necib. Die Physikerin untersucht die Bewegungen von Sternen und dunkler Materie in der Milchstraße. „Wenn es irgendwelche Klumpen von Sternen gibt, die sich auf eine bestimmte Weise zusammen bewegen, gibt es normalerweise einen Grund dafür.“

„Nyx“ ist ein solcher Sternenhaufen und erforderte das Zusammenspiel verschiedener Forschungsgebiete, denn „Nyx“, so die Forscher, stamme vermutlich nicht aus unserer Galaxie. Neben dem Weltraumteleskop waren einige der schnellsten Supercomputer maßgeblich an der Entdeckung beteiligt.

Eine nicht so ruhige Vergangenheit

Galaxien entstehen durch das Verschlucken anderer Galaxien, erklärte Necib. Bisher sind „wir davon ausgegangen, dass die Milchstraße eine ruhige Vergangenheit hatte, und lange Zeit ging es darum, wie ruhig sie wa“. Immer bessere Teleskope und schnellere Computer ermöglichen jedoch den Zugang zu immer kleineren Strukturen, die zeigen, dass es nicht so ruhig war.

In „Nature Astronomy“ beschrieben Necib und ihre Kollegen „Nyx“ als einen riesigen neuen Sternstrom in der Nähe der Sonne. Die etwa 250 Sterne liefern zudem „möglicherweise den ersten [greifbaren] Hinweis darauf […], dass eine Zwerggalaxie mit der Milchstraße verschmolzen ist“.

Seit 2014 entwickeln Forscher detaillierte Simulationen realistischer Galaxien. Diese Simulationen enthalten alles, was Wissenschaftler über die Entstehung und Entwicklung von Galaxien wissen. Bei der Entdeckung von „Nyx“ ging es darum, diese beiden großen Projekte – Simulation und Sternenkatalog – zu kombinieren. Künstliche Intelligenz ermöglichte schließlich die Analyse der riesigen Datenmengen.

Eine Frage, die beide Projekte verbindet, ist, wie die Milchstraße zu dem wurde, was sie heute ist. Dennoch, so Necib, „stehen wir erst am Anfang, um die Entstehung der Milchstraße wirklich verstehen zu können“.

Aus den Tiefen der Schweiz zur Milchstraße

Eine Karte von einer Milliarde Sternen ist ein gemischter Segen: So viele Informationen, aber fast unmöglich durch menschliche Wahrnehmung zu analysieren. Bryan Ostdiek, heute an der Harvard University, brachte von Projekten am Large Hadron Collider (LHC) Erfahrung im Umgang mit riesigen Datensätzen, Maschinen- und Deep Learning mit. Die Übertragung dieser Methoden auf die Astrophysik öffnete die Tür zu einer neuen Art und Weise, den Kosmos zu erforschen.

„Am LHC haben wir unglaubliche Simulationen, aber wir befürchten, dass Maschinen, die an ihnen trainiert werden, die Simulation und nicht die reale Physik lernen könnten“, sagte Ostdiek. „In ähnlicher Weise bieten die simulierten Galaxien eine wunderbare Umgebung, um unsere Modelle zu trainieren, aber sie sind nicht die Milchstraße. Wir mussten nicht nur lernen, was uns helfen könnte, die interessanten Sterne in der Simulation zu identifizieren, sondern auch, wie wir dies auf unsere reale Galaxie übertragen können.“

Daraufhin entwickelte das Team um Necib und Ostdiek eine Methode, um Bewegungen einzelner Sterne in den virtuellen Galaxien zu verfolgen. Zudem unterschieden sie zwischen „in der Galaxie entstanden“ und „außergalaktischen“ Sternen, die aus anderen Galaxien stammen und durch Kollisionen eingefangen wurden. In echten Galaxien sind die Unterschiede der Signaturen der Sterne oft sehr subtil. So fragten die Forscher anschließend die Computer, ob „Nyx“ aus der Milchstraße stammt oder nicht.

Die Griechische Göttin der Nacht ist doch kein Rechenfehler

Sie überprüften zunächst, ob die Computer bekannte Merkmale der Galaxie identifizieren konnte. Dazu gehört „die Gaia-Wurst“ – die Überreste einer Zwerggalaxie, die vor etwa sechs bis zehn Milliarden Jahren mit der Milchstraße verschmolzen ist und eine charakteristische wurstähnliche Bahnform aufweist. „Wenn das neuronale Netz so funktioniert hat, wie es soll, sollten wir diese riesige Struktur sehen, von der wir bereits wissen, dass sie vorhanden ist“, erklärte Necib.

Die „Gaia-Wurst“ war da. Darüber hinaus erkannten die Computer den stellaren „Halo“ – Hintergrundsterne, die der Milchstraße ihre verräterische Form geben – und den „Helmi-Strom“, eine weitere Zwerggalaxie, die in der fernen Vergangenheit mit der Milchstraße kollidiert ist und 1999 entdeckt wurde. Und da war noch etwas.

Das Modell identifizierte eine weitere Struktur: Einen Haufen von 250 Sternen, der mit der Scheibe der Milchstraße rotiert, aber sich unabhängig davon dem galaktischen Zentrum nähert. „Ihr erster Instinkt“, berichtete Necib, „war ‚oh nein!‘ das ist ein Fehler.“

Nach drei Wochen des Schweigens erkannte sie jedoch, dass sie den Fehler gemacht hatte und nicht das Modell. Als sie feststellte, dass dieser „Fehler“ tatsächlich neu ist und bisher noch nie beobachtet wurde, begann die Suche nach einem Namen. Das ist „das Spannendste in der Astrophysik“ sagte Necib und benannte den Sternenhaufen nach der griechischen Göttin der Nacht: „Nyx“.

Weitere außergalaktische Sternenhaufen in der Milchstraße wahrscheinlich

Die durchgeführten Simulationen gehören zu den größten Computermodellen von Galaxien, die je berechnet wurden. Jede der neun Hauptsimulationen dauerte trotz Nutzung der schnellsten Supercomputer der Welt mehrere Monate.

Dazu gehörten „Blue Waters“ am National Center for Supercomputing Applications (NCSA), die High-End-Computereinrichtungen der NASA und „Stampede2“ am Texas Advanced Computing Center. Zurzeit benutzen die Forscher „Frontera“, das schnellste System an jeder Universität der Welt, um die Arbeit fortzusetzen.

Necib und ihr Team planen zudem, „Nyx“ mit bodengebundenen Teleskopen weiter zu beobachten. Daraus erhoffen sie sich Informationen über die chemische Zusammensetzung, die Ankunft von „Nyx“ in der Milchstraße und „Nyx’“ mögliche Herkunft. Die nächste „Gaia“-Veröffentlichung im Jahr 2021 wird Daten von schätzungsweise 100 Millionen neuen Sternen liefern, was weitere Entdeckungen von außergalaktischen Sternenhaufen wahrscheinlich macht.

(Mit Material der University of Texas in Austin)