Das „Plane of satellites“ Problem

Das Universum besteht aus wesentlich drei Komponenten: Dunkler Energie – eine Form von gravitativ abstossender Energie, die die beschleunigte Expansion des Universums hervorruft; Dunkler Materie – ein Form von nicht sichtbarer Masse, die Galaxien zusammenhält; und der gewöhnlichen baryonische Materie,  die wir aus dem Alltag kennen. Nehmen wir noch die Allgemeine Relativitätstheorie dazu, haben wir das Standardmodell der Kosmologie zusammengemixt – das ΛCDM Modell.

Nun kennen wir von Beobachtungen des Urknalls die anfängliche Masseverteilung des Universums. Nehmen wir all diese Komponenten und füttern sie einem rechenstarken Supercomputer, können wir die Entwicklung des Universums bis zum heutigen Tag nachverfolgen. Dabei stellen wir fest, dass sich die Materie zuerst in flachen Strukturen anordnet (engl. sheets), dann in Filamenten, und schlussendlich abknotet. Dieser Formalismus wurde vom sowjetischen Physiker Zeldovich beschrieben, lange bevor solche Simulationen möglich waren. Eindrücklich dargestellt ist diese Strukturbildung im folgenden Video, dass aus einer solchen Dunklen Materie Simulation entstand.

Da Dunkle Materie den grössten Anteil an Materie im Universum ausmacht, ist dies eine gute Veranschaulichung, wie das Universum aussieht.  Kleine Dunkle Materie Verdichtungen fallen durch die Filamente in die Knotenpunkte, wo sie aufgefangen werden. Viele solcher Dunklen Materie Töpfe werden „gefressen“, so dass die massiveren Materie Ansammlungen allmählich anwachsen. Einige der kleinen Verdichtungen jedoch werden nur aufgefangen und bewegen sich um die Zentralmasse in einem stabilen Orbit. Diese Satelliten entsprechen im beobachteten Universum den Zwerggalaxien. Die Zentralmasse selbst entspricht einer Milchstrassen-artigen Galaxie.

Ein Bild der Zwerggalaxie Sculptor. Die Galaxie ist in Sterne aufgelöst und sehr diffus, es fehlt aber sonstige Struktur, wie etwa Gas.

The Sculptor Dwarf Galaxy, pictured in a new image from the Wide Field Imager camera, installed on the 2.2-metre MPG/ESO telescope at ESO’s La Silla Observatory, is a close neighbour of our galaxy, the Milky Way. Despite their proximity, both galaxies have very distinct histories and characters. This galaxy is much smaller, fainter and older than the Milky Way and appears here as a cloud of faint stars filling most of the picture. Many other much more distant galaxies can be seen shining right through the sparse stars of the Sculptor Dwarf.

Vergleichen wir, wie viele solche Satelliten in den Simulationen vorhergesagt werden mit der Anzahl an beobachteten Zwerggalaxien um die Milchstrasse, fällt eine grosse Diskrepanz auf. Erwartet sind tausende Satelliten, gefunden werden eine Handvoll (das sogenannte „missing satellites“ Problem, über das ich schon mal kurz geschrieben habe). Diese handvoll Zwerggalaxien verhalten sich auch nicht so, wie sie laut Simulationen sollten. Anstatt zufällig verteilt zu sein, sind sie in einer dünnen Scheibe angeordnet. Und anstatt dass sie sich zufällig bewegen, rotieren sie im gemeinsamen Drehsinn innerhalb dieser Ebene. Dies nennt man das „plane of satellites“ Problem der Kosmologie (ich werde davon absehen, den Begriff ins Deutsche zu übersetzen, da es sich sehr seltsam anhört: Satellitenebenen Problem).

Genauer definiert müssen Systeme von Satellitengalaxien folgende drei Eigenschaften erfüllen, damit wir von dem „plane of satellite“ Problem sprechen:

  • Die Satelliten müssen in einer 3 dimensionalen dünnen Scheibe angeordnet sein.
  • Die meisten Satelliten müssen einen gemeinsamen Drehsinn haben.
  • Diese Orbits sind innerhalb der Ebene.

Das System um die Milchstrasse nennt man die „Vast Polar Structure“ (VPOS). Die VPOS hat einen Durchmesser von 500 kiloparsec (kpc) und eine Dicke von nur 20 kpc. Die Milchstrasse ist aber nicht die einzige Galaxie, die eine solche rotierende Ebenenstruktur aufweist. Auch um die Andromeda Galaxie hat ein Team um Rodrigo Ibata in Strasbourg eine solche rotierende Ebene gefunden. Dort nennt man sie die „Great Plane of Andromeda“ (GPoA). Auch die GPoA hat einen Durchmesser von etwa 500 kpc und eine Dicke von 15 kpc.

Die beiden bekannten planes-of-satellites werden hier in einer Sicht dargestellt, in der sie von den Kanten aus sieht. Im Norden bewegen sich Satelliten weg von uns, im Süden zu uns.

Aus Pawlowski (2018).

Anfänglich wurde die VPOS und die GPoA als Spezialität der Lokalen Gruppe angesehen (wir Menschen betrachten unser Umfeld immer gerne als etwas spezielles). Der Grossteil der Wissenschaftsgemeinschaft hat dies aber nicht weiter gekümmert. Doch das sollte sie.

In den kosmologischen Simulationen kommen solche rotierenden Strukturen in etwa 0.1% der Fälle vor, also sollte nur jede tausendste Galaxie eine rotierende Ebene enthalten. Schauen wir uns die beiden nächsten Galaxien an, die Milchstrasse und die Andromeda Galaxie, haben wir schon zwei solche Systeme. Um das zu veranschaulichen: Ich denke mir 2 Zahlen zwischen 1 und 1000 aus und  du musst sie richtig erraten. Die Wahrscheinlichkeit, dass du richtig liegst, ist bei 1 zu eine Million. Ist das also ein glücklicher Zufall, dass wir genau hier sitzen, wo sich diese „planes of satellites“ befinden? Genau das war lange Zeit der Konsens der Wissenschaft. Auch wenn sich 1 zu einer Million nach viel anhört, wird dieser Fall natürlich einmal vorkommen. Es gibt ja auch Lotto Gewinner, die so glücklich sind, bei einer Chance von 1 zu 31 Millionen genau richtig zu tippen. Also ist das Problem gelöst? Nicht ganz…

Unser Team hat nun das gleiche in der Centaurus Gruppe festgestellt: Um die Hauptgalaxie Cen A sind die Galaxien in einer Ebene angeordnet, die scheinbar wieder im gleichen Drehsinn rotiert. Diese Centaurus A Satellite Plane (CASP) ist somit der dritte Fall einer „plane of satellites“.

Hier wird die Centaurus Ebene dargestellt. Die Satelliten im Norden sind rotverschoben, die im Süden blau verschoben.

Aus Pawlowski (2018).

Auch hier haben wir verglichen, wie wahrscheinlich es ist, diese Beobachtung in den Simulationen zu finden, und auch hier ist die Chance wieder etwa 0.1%. Die Wahrscheinlichkeit dieses Phänomen im lokalen Universum drei mal zu beobachten steigt also schon zu 1 zu einer Milliarde an. Eine Zahl, auf die ich persönlich nicht mehr Wetten würde. Dem renommierten Wissenschaftsjournal Science war diese Studie jedenfalls eine Titelstory wert.

Das Titelblatt der Science Ausgabe vom 3.2.2018 zeigt die Elliptische Galaxie Centaurus A. Die Schlagzeile ist A Cosmological Conundrum

Cover der Science Ausgabe.

Nehmen wir also an, dass solche rotierenden Ebenenstrukturen häufiger vorkommen als gedacht, was bedeutet dies für das Dunkle Materie Modell? Gibt es eine Möglichkeit, die Modelle so anzupassen, dass solche „planes of satellites“ vermehrt vorkommen? Die Antwort lautet: Wahrscheinlich nein. Aber lass mich dennoch die momentan Entstehungsszenarien erläutern.

Akkretion durch Filamente: Wenn zwei Filamente, die die Galaxiengruppe füttern, genau gegenüberliegen, dann können solche rotierenden Satellitenstrukturen entstehen. Nur: genau dieser Formalismus ist die treibende Kraft in den Simulationen und somit selbstkonsistent bereits eingebunden. Wir haben aber gesehen, dass damit viel zu selten rotierende Satellitensysteme entstehen, als dass wir damit die Beobachtungen erklären können.

Das Bild zeigt verschiedene Filamente, aus denen die Zwerggalaxien in den Knotenpunkt fallen.

Aus Pawlowski (2018).

Einfall einer Zwerggalaxiengruppe: Anstatt dass sich die Galaxiengruppe aus vielen einzelnen einfallenden Zwergen gebildet hat, wird in diesem Szenario eine ganze Meute an Zwergen auf einmal eingefangen, das Resultat dabei ist, dass diese Zwerge dann in der gleichen Richtung rotieren. Das Problem dabei ist, dass eine solche Zwergengruppe etwa den gleichen Durchmesser wie die Ebene haben müsste, was man noch nie beobachtet hat. Die beobachteten Zwergengruppen haben etwa den 20 fachen Durchmesser als benötigt. Und auch wieder hier gilt, dass dieser Formalismus selbstkonsistent in den Simulationen vorhanden ist und viel zu wenig rotierende Satellitensysteme entstehen.

Das Bild zeigt eine Gruppe von Zwerggalaxien, die gleichzeig einfallen und von der Galaxie aufgefangen werden.

Aus Pawlowski (2018).

Entstehung durch Gezeitenkräfte: Hinsichtlich rotierender Ebenensysteme ist dieses Szenario das Vielversprechendste. Hierbei werden durch Interaktion zweier Galaxien Gezeitenärme entstehen, die durch ihre Eigengravitation Gezeitenwerge bilden, die innerhalb der Ebene der Interaktion um die Muttergalaxie rotieren werden. Durch die Erhaltung des Drehimpulses werden diese Zwerge im Gleichsinn rotieren. Das Problem ist hierbei nur, dass diese Zwerge keine Dunkle Materie enthalten sollten, ein Widerspruch zum Standardmodell. Ich habe bereits in einem älteren Blogeintrag über den Unterschied zwischen Gezeitenzwergen und regulären Zwergen geschrieben.

Das Bild zeigt oben verschiedene beobachtete Spiralgalaxien, zwischen denen Geizetenarme entstehen. Unten wird ein Modell davon gezeigt.

Aus Pawlowski et al (2011).

Während die ersten beiden Szenarien bereits in den Simulationen vorkommen und somit die Häufigkeit der gefundenen Ebenen nicht erklären können, würde das letztere Szenario bedeuten, dass etwas mit der Gravitationstheorie nicht stimmt. Alternativtheorien wie etwa MOND müssten hinzugezogen werden, um den beobachteten Dunkle Materie Effekt in den Galaxien zu erklären. Das wäre natürlich ein extrem drastischer Schritt, der das ganze kosmologische Modell über den Haufen und somit ein „Zurück zum Start“ für dieses Wissenschaftsfeld bedeuten würde, für viele ein zu radikaler Schritt, für andere als dringend nötig empfunden. Fazit? Es bleibt spannend!

Literatur

Im folgenden Reviewartikel wird eigentlich alles (und) mehr erläutert, was zum plane-of-satellite Problem gesagt werden kann: Pawlowski (2018), MPLA, 3330004, „The plane of satellite galaxies problem, suggested solutions, and open problems“.

 

 

3 Gedanken zu “Das „Plane of satellites“ Problem

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