Ein Blick in das junge Universum: SOFIA enthüllt überraschende Sternentstehung in der Großen Magellanschen Wolke

Warum entstehen Sterne im jungen Universum anders als heute? Dieser Frage widmete sich das „LMC+“ Legacy Projekt des Stratosphären Observatoriums für Infrarot Astronomie (SOFIA) während einer umfangreichen Flugkampagne im März 2022 von Chile aus. Das Beobachtungziel hierfür war die Große Magellansche Wolke (LMC) – unsere nächste Nachbargalaxie. Sie ist jung, arm an schweren Elementen und damit ein einzigartiges Fenster in die Frühzeit der Sternentstehung.
Der Betrieb von SOFIA wurde bis zum Ende der Mission auf deutscher Seite am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart koordiniert.

Im Vergleich zur Milchstraße hat die LMC deutlich weniger Zyklen von Sternentstehung und -zerstörung durchlaufen. Dadurch lassen sich dort Prozesse beobachten, die denen im frühen Universum ähneln – und das in vergleichsweise hoher räumlicher Auflösung. Der extrem helle Tarantelnebel in der LMC war bereits 2016 und 2017 mit dem Instrument FIFI-LS (Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer) der Universität Stuttgart an Bord von SOFIA von Neuseeland aus untersucht worden (Chevance et al. 2020). Das „LMC+“-Legacy-Projekt verfolgte dagegen einen anderen Ansatz: Im Mittelpunkt stand bewusst eine „normalere“ Region, die großflächig kartiert wurde, um ein umfassendes Bild der Sternentstehung unter jungen kosmischen Bedingungen zu gewinnen.

Dank der hohen Empfindlichkeit von FIFI-LS und der schnellen Abbildung des SOFIA-Teleskops gelang es bereits mit nur sechs Flügen, zwei außergewöhnlich große Karten in der Emission von ionisiertem Kohlenstoff [C II] und doppelt ionisiertem Sauerstoff [O III] zu erstellen. Diese bislang unerreichte Kartengröße brachte jedoch neue technische Herausforderungen mit sich. Um den Himmelshintergrund korrekt zu erfassen, musste das Teleskop weit schwenken, wodurch sich der atmosphärische Beitrag während der Beobachtungen änderte und besonders die schwache, ausgedehnte Emission beeinträchtigt wurde.

Am Institut für Raumfahrtsysteme wurde daraufhin ein völlig neues Kalibrationsverfahren entwickelt: Mithilfe von Wettersatellitendaten wird die atmosphärische Emission zum Zeitpunkt jeder Aufnahme simuliert, sodass der Einfluss der Teleskopbewegung präzise korrigiert werden kann (Fischer et al. 2025). Ein enormer Aufwand, der sich auszahlen sollte.

In Kombination mit ALMA-Beobachtungen von Kohlenstoffmonooxid (CO) offenbart sich nun ein teils überraschendes Bild. CO wird üblicherweise als indirekter Tracer für molekularen Wasserstoff genutzt – den eigentlichen Treibstoff der Sternentstehung. In der untersuchten Region ist CO jedoch vor allem in wenigen Filamenten konzentriert. Die mit FIFI-LS gemessene ausgedehnte und diffuse [CII]-Emission deutet hingegen darauf hin, dass in großen Teilen der Region molekularer Wasserstoff existiert, ohne dass dort CO nachweisbar ist. Dieses sogenannte CO-dark gas könnte bedeuten, dass in jungen Galaxien die Menge an Sternentstehungsmaterial bislang systematisch unterschätzt wurde.

Noch nie zuvor wurde ein derart großes Gebiet in einer jungen Galaxie gleichzeitig in [CII] und [OIII] kartiert – und erstmals auch systematisch in sehr schwachen Emissionsbereichen. Dabei zeigte sich ein grundlegender Trend: [C II] wird relativ zur Staubemission heller, je geringer die Staubdichte ist. Dieses Phänomen war bislang nur aus extrem hellen Regionen als sogenanntes [CII]-Defizit bekannt. Die neuen Daten zeigen jedoch, dass es sich um ein allgemeines physikalisches Gesetz handelt: Die relative [CII]-Helligkeit ist eine grundlegende Funktion der Staubdichte – keine Sondererscheinung einzelner Extremregionen.

Für eine weitere Überraschung sorgten die [OIII]-Daten. Die doppelte Ionisation von Sauerstoff erfordert extrem energiereiche UV-Strahlung, wie sie eigentlich nur in unmittelbarer Nähe junger, massereicher Sterne erwartet wird. Umso erstaunlicher ist es, dass helle [OIII]-Emission hunderte Lichtjahre entfernt von solchen Sternen nachgewiesen wurde.

Diese Beobachtung zeigt eindrucksvoll, wie porös und durchlässig das interstellare Medium in der LMC ist und vermutlich auch im jungen Universum war. In weiten Bereichen existiert nur dünnes, heißes ionisiertes Gas, sodass harte UV-Strahlung nahezu ungehindert riesige Regionen durchdringen kann. Junge Sterne „überstrahlen“ damit Gebiete von mehreren hundert Lichtjahren Ausdehnung.

Das LMC+ Legacy Projekt hat damit nicht nur eine Vielzahl neuer wissenschaftlicher Ergebnisse hervorgebracht, sondern unser Verständnis der Sternentstehung unter den Bedingungen junger Galaxien grundlegend erweitert. Die Beobachtungen zeigen, wie stark sich die physikalischen Rahmenbedingungen im frühen Universum von denen in heutigen Galaxien unterscheiden und welchen Einfluss dies auf die Struktur des interstellaren Mediums und die Rückkopplung junger Sterne hat. Die gewonnenen Daten bilden eine einzigartige Referenz für die Interpretation von Beobachtungen weit entfernter Galaxien im frühen Kosmos und werden weiter analysiert.

Am SOFIA Data Center (SDC) der Universität Stuttgart werden alle Datensätze von SOFIA derzeit mit optimierter Software weiter aufbereitet und langfristig archiviert. Sie stehen der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung und werden in den kommenden Jahren als wertvolle Grundlage für weiterführende Analysen, Modellvergleiche und zukünftige Missionen dienen.

Originalveröffentlichung:

• LMC+: Large-scale mapping of [CII] and [OIII] in the LMC molecular ridge, I. Dataset and line ratio analyses, Fischer et al., Astronomy & Astrophysics, 702, A273 (2025)

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SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, war ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301, 50OK1701 und 50OK2002) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wurde auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die SOFIA-Aktivitäten wurden auf deutscher Seite von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR koordiniert und vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart durchgeführt, auf amerikanischer Seite von der NASA und der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente wurde finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

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Die Stuttgarter Luft- und Raumfahrt ist eine bundesweit einzigartige interdisziplinäre Ideenschmiede für Schlüsseltechnologien im All und auf der Erde. Forschende der Universität Stuttgart bündeln Expertisen auf den Gebieten der Klima- und Energieforschung, Kommunikationstechnologie, Antriebstechnik sowie des KI-basierten Fliegens. Ein zentraler Schwerpunkt ist die Erforschung nachhaltiger technologischer Lösungen, die die ökologischen Auswirkungen der Luft- und Raumfahrt minimieren sollen. Geforscht wird interdisziplinär und im engen Dialog mit regionalen und internationalen Partnern aus Wissenschaft und Industrie, etwa im Rahmen der Sonderforschungsbereiche ATLAS (SFB 1667) und SynTrac (SFB-TRR 364). Als Partner von THE Aerospace LÄND trägt die Universität Stuttgart zur Umsetzung der baden-württembergischen Landesstrategie bei, die Luft- und Raumfahrt bis 2050 nachhaltig, digital und kooperativ zu machen. Ihren Studierenden bietet die Universität eine fundierte ingenieurwissenschaftliche und anwendungsorientierte Ausbildung. In der Nachwuchsförderung kooperiert sie mit der „Zukunftsoffensive Luft- und Raumfahrt-Nachwuchs“, einer Initiative des Landes Baden-Württembergs, die sich für die Stärkung der Nachwuchsförderung in den MINT-Fächern engagiert.