Galaxienzentren: Sternhaufen und Sternscheiben entstehen und entwickeln sich zusammen
Jüngste Simulationen zeigen, wie sich Galaxienzentren entwickeln. Demnach wachsen Kernsternhaufen und nukleare Sternscheiben nicht unabhängig voneinander, sondern entstehen aus denselben Vorgängen und beeinflussen sich gegenseitig.
Galaxienzentren zählen zu den geheimnisvollsten Regionen des Universums. Dort befinden sich meist supermassereiche Schwarze Löcher, die von dichten Ansammlungen aus Sternen umgeben sind. Wie diese Strukturen entstehen und sich über Milliarden Jahre entwickeln, gehört zu den zentralen Fragen der modernen Astrophysik.
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) konnte nun mithilfe einer hochauflösenden Computersimulation zeigen, dass zwei charakteristische Bestandteile vieler Galaxien – Kernsternhaufen und nukleare Sternscheiben – eng miteinander verbunden sind und gemeinsam wachsen.
Gemeinsamer Ursprung im Zentrum
Kernsternhaufen (Nuclear Star Cluster, NSC) sind extrem dichte, kompakte Ansammlungen von Millionen Sternen im innersten Zentrum einer Galaxie, die häufig ein supermassereiches Schwarzes Loch umgeben und durch enorme Schwerkraft zusammengehalten werden.
Nukleare Sternscheiben (Nuclear Stellar Disc, NSD) hingegen sind flache, rotierende Scheiben aus Sternen und Gas, ebenfalls im galaktischen Zentrum, die sich um den Kernsternhaufen erstrecken und durch stetigen Gaseinstrom kontinuierlich neue Sterne bilden.
Lange gingen Wissenschaftler davon aus, dass beide Komponenten unabhängig voneinander entstehen. Beobachtungen weisen bisher nicht eindeutig auf einen Zusammenhang zwischen ihren Massen oder Größen hin. Realistische Simulationen, die ihre Entwicklung nachvollziehen konnten, fehlten ebenfalls.
Die nun vorgestellte hydrodynamische Simulation einer milchstraßenähnlichen Balkengalaxie schließt diese Lücke. Die Galaxienentwicklung wird über einen Zeitraum von vier Milliarden Jahren verfolgt, und erstmals wird abgebildet, wie beide Strukturen innerhalb eines einzigen Modells entstehen.
Im Mittelpunkt steht dabei der galaktische Balken – eine langgestreckte Sternenstruktur im Inneren vieler Spiralgalaxien. Er transportiert Gas aus den äußeren Bereichen in Richtung Zentrum und schafft so die Grundlage für neue Sternentstehung.
„Unsere Simulation verdeutlicht dies, indem sie zeigt, wie der galaktische Balken wie ein kosmisches Förderband wirkt, das Gas nach innen leitet, so dass beide Strukturen gleichzeitig aus genau demselben Reservoir versorgt werden“, erklärt Dr. SungWon Kwak vom AIP.
Milliarden Jahre galaktischer Entwicklung
Im Zentrum sammelt sich dadurch immer mehr Gas an. Gleichzeitig lösen Schockwellen sterbender Sterne wiederholt neue Phasen der Sternbildung aus. Über Milliarden Jahre entstehen so zentrale Sternpopulationen mit einer Gesamtmasse von mehreren hundert Millionen Sonnenmassen.
Der große Vorteil der Simulation liegt darin, dass sie Entwicklungen sichtbar macht, die sich astronomisch nicht direkt beobachten lassen. Teleskope liefern stets nur Momentaufnahmen einzelner Galaxien. Das Computermodell hingegen zeigt Schritt für Schritt, wie sich Balken bilden, Gas ins Zentrum strömt und die Sternscheibe allmählich nach außen wächst.
Die Ergebnisse erklären außerdem, weshalb Kernsternhaufen und nukleare Sternscheiben in verschiedenen Galaxien oft sehr unterschiedlich erscheinen. Ihre Beziehung verändert sich ständig im Laufe der Entwicklung.
„Die scheinbar fehlende Verbindung bedeutet nicht, dass sich die Sterne selbst grundlegend in Alter, chemischer Zusammensetzung oder Bewegung unterscheiden“, erklärt Mitautorin Dr. Cristina Chiappini. Vielmehr entwickle sich die strukturelle Beziehung beider Komponenten im Laufe der Zeit auf natürliche Weise.
Verschmelzungen im galaktischen Herzen
Besonders spektakulär ist ein Ereignis innerhalb der Simulation: Ein rund 30 Millionen Sonnenmassen schwerer Sternhaufen wandert spiralförmig ins Galaxienzentrum und verschmilzt dort mit dem Kernsternhaufen. Vergleichbare Objekte wurden inzwischen auch in der Balkengalaxie NGC 1365 beobachtet.
Solche Verschmelzungen können Masse und Ausdehnung der zentralen Sternhaufen innerhalb kurzer Zeit verändern. Da sich im Zentrum zudem ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet, könnte auch dessen Wachstum beeinflusst werden. Anhand der neuen Simulationen könnten dann künftige Beobachtungen galaktischer Zentren besser eingeordnet und ihre Entwicklung besser verstanden werden.
Artikelreferenz
Kwak, S., Schultheis, M., Minchev, I., Chiappini, C., Kim, W.-T., Baek, S., Marinacci, F., Vogelsberger, M., Sales, L. V., Li, H., & Steinmetz, M. (2026). SMUGGLE-Ring: Evolutionary link between nuclear star cluster and nuclear disk. A&A Letter.