Zwerggalaxien: Primordiale Zwerge oder Gezeitenzwerge?

Dass die unscheinbarsten Galaxien im Universum die wichtigsten Objekte für das Verständnis der Bildung des sichtbaren Universums sind, ist in der Wissenschaft unumstritten. Wie solche Zwerggalaxien jedoch entstehen, wirft einige ungelöste Fragen auf.
Es gibt zwei Theorien, die um die wahre Entstehungsgeschichte von Zwerggalaxien buhlen: Zwerggalaxien als urzeitliche Dunkle Materie (DM) Töpfe oder Zwerggalaxien als Gezeitenzwerge. Da in beiden Theorien die Entsehung solcher Galaxien Millionen von Jahren dauert, können wir nicht live zuschauen, wie ein Zwerg entsteht, sondern können uns nur über Schnappschüsse am Himmel und Simulationen auf Supercomputern verlassen.

Hierarchische Strukturbildung

In dem DM Modell, welches auch das Standard Modell der Kosmologie genannt wird, sind Zwerggalaxien die ersten Galaxien, die im Universum entstehen. Nach dem Big Bang formen sich schwere Dunkle Materie Verdichtungen, die den Grundstoff von Sternen in Form von Gase anziehen: Wasserstoff, ein wenig Helium und eine geringste Menge Lithium (alles sogenannte Baryonen). Da Dunkle Materie in viel grösseren Mengen vorkommt als das baryonische Gas, sprechen wir davon, dass das Gas in die Dunklen Materie Töpfe fällt. Diese zuerst kleinen DM Töpfe verschmelzen miteinander und formen somit immer grössere Strukturen. Zu sehen ist dieses Verschmelzen in der folgenden Simulation. Jeder Lichtpunkt stellt dabei einen DM Topf dar. Das Gas wird nicht gezeigt, aber es folgt logischerweise der Bewegung der Dunklen Materie, da es gravitationell gebunden ist.

Ein solches Szenario nennt man auch ein hierarchisches Formations Szenario, da sich das sichtbare Universum von kleinen Bausteinen zu immer grösseren Strukturen zusammensetzt. Galaxien, wie etwa die Milchstrasse oder Andromeda, sind somit das Produkt von unzähligen Verschmelzungen kleiner Zwerggalaxien. Die Zwerggalaxien, die man in der Umgebung von solchen grossen Galaxien noch sieht, sind dabei die alten Bausteine, die noch nicht zu grossen Galaxien verschmolzen sind, sprich Überbleibsel aus alter Zeit.

Gezeiten Szenario

Ein alternatives Modell beschreibt eine ganz andere Geschichte des Universums. In diesem Szenario existiert keine Dunkle Materie. Das baryonische Gas im frühen Universum kondensiert direkt unter der eigenen Anziehungskraft zu grossen Galaxien. Es gibt dabei nur wenig Interaktion zwischen Galaxien. Falls dennoch eine Interaktion stattfinden, bilden sich Gezeitenarme zwischen den Paaren, die wesentlich aus Gas und Sternen bestehen. Diese Arme fallen unter Eigengravitation in sich zusammen und bilden kleine Zwerggalaxien.

NGC4676.jpg

Die Mausgalaxie: Zwei Galaxien, die zurzeit kollidieren. Die Gezeitenarme sind zwischen den Galaxien und gegengesetzt zu sehen. Copyright by NASA.

Die meisten solchen Kollisionen gehen für die Partner glimpflich aus, denn sie verschmelzen nicht. Es fehlt die schwere Dunkle Materie Masse, die stark gravitationell wirken würde.

Welche Beobachtungen unterstützen ein solches Gezeiten Szenario? Die Milchstrasse ist umgeben von Zwerggalaxien und Strömen aus Sternen und Gas. All diese Objekte befinden sich in einer dünnen Scheibe, die senkrecht zur Spirale der Milchstrasse steht. Das Gleiche findet man für unseren Nachbarn, die Andromedagalaxie, auch dort sind die Zwerge in einer dünnen Scheibe angeordnet. Das Verrückte daran ist nun, dass diese beiden Ebenen parallel zueinander stehen. Und nicht nur das, die Andromedagalaxie liegt in der Verlängerung der Zwergenscheibe der Milchstrasse und die Milchstrasse in der Verlängerung der Scheibe um Andromeda.  Dies kann man problemlos erklären, wenn man annimmt, die Milchstrasse und die Andromedagalaxie hatten eine beinahe Kollision, in welcher die Zwerge entstanden sind. Die Gezeitenarme, die bei einem solchen Tanz entstehen, liegen in der Ebene der Bewegung. Dies heisst wiederrum, die Zwerge, die aus diesen Gezeitenarmen enstehen, müssen zwingenderweise in dieser Interaktionsebene liegen. Ebenenstrukturen sind somit vorprogrammiert.

Vergleich der Szenarien

Der Unterschied der beiden Szenarien ist gewaltig. Während im hierarchischen Szenario Zwerge alte Galaxien sind, die komplett von Dunkler Materie dominiert werden und als Bausteine für grosse Galaxien gelten, sind sie in einem Gezeiten Szenario relativ (astronomisch gesehen) junge Objekte, die aus grossen Galaxien gerissen werden. Man kann nun argumentieren, dass man Dunkle Materie in Zwerggalaxien misst, somit das erste Szenario richtig sein muss. In einem Gezeiten Szenario nimmt man aber eine alternative Form der Gravitation an (Modified Newton Dynamics – MOND), welches das DM Verhalten in den Zwergen imitiert. Es erklärt auf natürliche Weise, warum sich Zwerggalaxien in Scheiben anordnen, während das Standardszenario noch keine Antwort hat, wie solche Strukturen entstehen können.

Beide Lager konnten bisher noch nicht schlüssig zeigen, dass ihre Theorie die Richtige ist. Beide haben Probleme, beide haben Stärken. Es liegt an jedem, diese Argumente selber zu gewichten und auf eine Lösung zu kommen.

Literatur

  • Navarro, Frenk, White (1997) „A Universal Density Profile from Hierarchical Clustering“
  • Pawlowski, Kroupa, de Boer (2011) „Making counter-orbiting tidal debris. The origin of the Milky Way disc of satellites?“
  • Pawlowski, Kroupa, Jerjen (2013) „Dwarf galaxy planes: the discovery of symmetric structures in the Local Group“
  • Cautun & Frenk (2017) „The tangential velocity excess of the Milky Way satellites“

 

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8 Gedanken zu “Zwerggalaxien: Primordiale Zwerge oder Gezeitenzwerge?

  1. Warum können nicht beide Szenarien gleichzeitig richtig sein? Es könnten doch sowohl primordiale als auch Gezeitenzwerggalaxien gleichzeitig existieren. Soviel ich weiß, werden sowohl sehr alte als auch relativ junge Zwergalaxien beobachtet.

    • In einem Dunkle Materie Szenario können Gezeitenzwerge nicht lange existieren, da das Gravitationspotential zu schwach ist, den Zwerg stabil zu halten, da Gezeitenzwerge zwingend keine Dunkle Materie enthalten. Die energiereichen Supernova werden den Zwerg komplett zerstören. Nehmen wir trotzdem an, die Milchstrassenzwerge sind aber solche Überbleibsel der Gezeitenzwerge: Wir messen einen hohen Dunkle Materie Anteil in ihnen, was zu einem Widerspruch führt, da sie zwingend keine Dunkle Materie haben dürfen (dies sieht man in Simulationen). Es gibt jedoch Arbeiten, die Dunkle Materie + Gezeitenzwerge (ohne MOND) vereinbaren (z.B. die Arbeit von Francois Hammer in Paris). Dabei wird ein Encounter zwischen der Milchstrasse und der Grossen Magellanschen Wolke als Verursacher betrachtet.
      Aufgepasst mit dem Begriff der jungen/alten Zwerggalaxien. Early-type/late-type ist ein Begriff von Hubble, zu einer Zeit, in der man noch nicht die Formation von Galaxien verstanden hat. „Junge Zwerge“ bedeutet, dass man Sternentstehung beobachten kann. Die Sternentsehung kann gezündet werden, wenn die Galaxie z.B. in Wechselwirkung mit einer anderen Galaxie gerät. Dies heisst aber nicht, dass die Galaxie selbst nicht auch alt ist. Jede Zwerggalaxie, deren Sternpopulation wir beobachtet haben, hat eine extrem alte Population (10 Gigajahre). Dies haben schon Walter Baade und Alan Sandage festgestellt. Beantwortet das den Kommentar?

      • Es gibt also gar keine jungen Zwerggalaxien? Alle beobachteten Zwerggalaxien sind älter als 10 Mrd. Jahre?
        Ich dachte, das Alter wird über die Metallizität der Sterne bestimmt und nicht über die Sternentstehungsrate.
        Auch beim DM-Szenario müsste es doch Gezeitenzwerge geben, wenn auch wenige, die durch Kollisionen von Galaxien entstanden sind und sich noch nicht aufgelöst haben.

        Wie misst man Dunkle Materie?

      • Die Metallizität gibt nur einen Hinweis für das Alter. In der Tat sind alle beobachteten Zwerggalaxien alte Objekte (ich mache hier eine Unterscheidung zwischen Gezeitenzwerge und Zwerge). Man denkt das die Zwerge in der Tat 5 10 Mrd Jahre alt sind.
        Typischerweise misst man das Alter mit dem Turnoff point in der Sternenhauptsequenz. dies ist aber nur für nahe Galaxien überhaupt realistisch zu messen.

        Wie man DM misst ist eine sehr gute Frage, die ich gerne in einem separaten Blogpost beantworte. In Kürze: Man misst die Bewegung der Sterne.

        Ja, es gibt Gezeitenzwerge, wir können aber natürlich nicht sagen, wie lange die Leben, weil wir das ja nicht beobachten können. Wir sehen ja immer nur Snapshots.

  2. Hm, es gibt also „nur“ Indizien dafür, dass die allermeisten Zwerggalaxien alt sind und bei Gezeitentwergen weiß man nicht, wie alt sie werden können. Nichts genaues weiß man also nicht.

    Könnten Gezeitenzwerge denn nicht auch beim MOND-Szenario alt werden?

    Ohne dem bestimmt sehr interessanten Blogpost über die Messung von DM vorgreifen zu wollen, setzt das nicht ein Axiom voraus und ist von daher ein Zirkelschluss, wenn DM über die Bewegung der Sterne gemessen wird?
    Die Menge von Phlogiston konnte man auch durch die Verringerung des Gewichts bei Verbrennung messen, hat man jedenfalls so angenommen.

    • Ja tatsächlich, das Problem ist, dass man das Alter der Galaxien über das alter der Sterne bestimmt. Dies sagt aber natürlich nichts aus, wo die Sterne entstanden (im Zwerg in der primordialen Variante oder in der Ursprungsgalaxie bei Gezeitenzwerge).

      Die Gezeitenzwerge können in MOND auch alt werden, im LCDM Modell wahrscheinlich nicht (da die gravitative Masse fehlt, um sie zusammenzuhalten).

      Ja, schlussendlich ist es ein Zirkelschluss, da man die DM Theorie so nie bestätigen kann, da es eine a-posteriori (= im Nachhinein) und nicht eine a-priori (im Vorhinein) Analyse ist. Man fügt soviel DM hinzu, dass die Beobachtung erklärbar ist.

  3. Pingback: Das „Plane of satellites“ Problem | Prosa der Astronomie

  4. Pingback: Nicht so schnell mit MOND – Die Zwerggalaxie NGC1052-DF2 als kritischer Test für MOND und das Dunkle Materie Modell – Alpha Cephei

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