Ein weiteres kosmologisches Rätsel – Die Häufigkeit der Zwerge um Spiralgalaxien

Während unser Standardmodell der Kosmologie – bestehend hauptsächlich aus Dunkler Materie und Dunkler Energie – auf der Grössenskala des Universums selbst wunderbar funktioniert, stösst es bei Galaxien immer wieder an ihre Grenzen. Speziell bei Zwerggalaxien – welche komplett Dunkle Materie dominiert sind und somit eigentlich gut durch dieses Modell erklärt werden müssten – vermehrte sich in den letzten Jahren die Diskrepanz zwischen Theorie und Beobachtung, wie zum Beispiel mit dem Satellitenebenen Problem (mit mindestens drei Nature und einem Science Artikel). Ein anderes rätselhaftes Phänomen, über das ich vor genau zwei Jahren schon einmal geschrieben habe, beschreibt den Zusammenhang zwischen der Bulge einer Spiralgalaxie und der Anzahl an Zwerggalaxien, welche die Galaxien umgeben. Eine neue Studie geleitet von Dr. Behnam Javanmardi in Iran, publiziert im Astrophysical Journal, in der ich selbst mitbeteiligt war, untersucht nun diesen Zusammenhang in kosmologischen Dunkle Materie Simulationen.

Eine Spiralgalaxie, welche man von der Kante aus sieht, mit einem kugelförmigen Zentrum

Die Bulge ist die „Ausbuchtung“ im Zentrum.

Nicht jede Spiralgalaxie besitzt eine Bulge. Eine Bulge ist quasi eine zentrale Ausbeulung in der Spirale der Galaxie und kann unterschiedlich gross sein. Während die Sterne sich innerhalb der Scheibe der Spiralgalaxie auf Kreisbahnen um das Zentrum der Galaxie bewegen – wir Astronomen nennen dies ein rotationsgestütztes System – ist die Bewegung der Sterne in der Bulge chaotisch – somit druckgestützt. Es gibt mehrere Ideen, wie eine solche Bulge entstehen kann. Die naheliegendste ist, dass sie sich bei einer Kollision der Spiralgalaxie mit einer Zwerggalaxie bildet – und je mehr solche Kollisionen stattfanden, desto mehr wächst die Bulge heran. Dies gibt also einen direkten Zusammenhang: Je mehr Kollisionen, desto grösser die Bulge.

Die Sombrero Galaxie mit einer grossen zentralen Bulge.

Die Sombrero Galaxie beherbergt eine riesige Bulge.

Die Zwerggalaxien umgeben grosse Spiralgalaxien als sogenannte Satellitengalaxien, so wie etwa Bienen einen Bienenstock oder Fliegen einen… naja, ihr wisst schon. In unserem Standardmodell der Kosmologie ist die Anzahl der Satellitengalaxien vorgegeben durch die totale Masse der Zentralgalaxie – also der Masse der Spiralgalaxie. Wissen wir, wie schwer eine Galaxie ist, dann können wir die Anzahl der Zwerggalaxien die sie begleiten abschätzen. Zentral dabei ist, dass somit die Anzahl der Zwerggalaxien vorgegeben ist alleine durch die Gesamtmasse der Spiralgalaxie und nicht von der Grösse der Bulge abhängt. So auf jedenfalls wurde auf qualitativen Level bisher argumentiert. Überprüft hatte diese Aussage bis zu unserer Studie noch niemand wirklich.

Die Millennium-II Simulation

Um eine grosse Anzahl Spiralgalaxien und ihre Satelliten zu studieren, haben wir uns der Millennium-II Simulation bedient. Dies war ein gewaltiges Rechenprojekt am Max-Planck-Institut in Garching, welches die Strukturbildung vom frühen Universum bis zur heutigen Epoche simulierte. Das folgende Video zeigt dabei das Endstadium des simulierten Universums.

Jeder leuchtende Fleck entspricht dabei einer Galaxie, und je heller der Fleck, desto massereicher ist sie. Aber aufgepasst, die Dunkle Materie können wir in Natur nicht sehen. Hier wird sie nur eingefärbt um sie sichtbar zu machen, die jedoch wirklich beobachtbaren Kompotenten im Universum – das Gas und die Sterne – sind in den Simulationen nicht enthalten und müssen deswegen später manuell (also natürlich automatisiert) eingefügt werden. Dafür gibt es gewisse Vorschriften, die besagen, welches Dunkle Materie Halo welche Galaxie enthält.

Nun haben wir uns in diesen Simulationen 20’000 Spiralgalaxien und ihre Satellitensysteme genauer unter die Lupe genommen. Zuerst einmal fragten wir uns einfach, ob es einen Zusammenhang zwischen der Bulgengrösse und der Gesamtmasse der Spiralgalaxie gibt, und tatsächlich, je schwerer die Galaxie, desto grösser die Bulge. Dies ist nicht verwunderlicher, haben schwere Galaxien eher die Anziehungskraft, um mehrere Zwerggalaxien zu verschlingen.

Eine Figur die zeigt, dass mit einer grösseren Gesamtmasse eine grössere Bulge vorhanden ist.

Dabei entspricht in der Figur jeder Punkt einer Spiralgalaxie. Wir sehen, je massereicher die Spiralgalaxie (weiter rechts auf der x-Achse) desto massereicher die Bulge (weiter oben auf der y-Achse).

Nun gut, wie sieht es aber mit der Anzahl an Satellitengalaxien aus? Auch dort herrscht der gleiche Zusammenhang, je grösser die Spiralgalaxie, desto mehr Satelliten enthält sie. Nichts neues im Westen.

Die Figur zeigt, dass je massereicher die Spiralgalaxie, desto mehr Satelliten hat sie

Kommen wir nun aber zur Gretchenfrage: Gibt es somit einen Zusammenhang zwischen der Anzahl an Satelliten und der Grösse der Bulge? Naiv würde man nun „ja“ sagen, wenn man sich die beiden Figuren anschaut, aber so einfach ist es doch nicht. Betrachten wir Spiralgalaxien mit der gleichen Masse, haben wir eine Variation von Massen der Bulgen. Dies sieht man an der Streuung in der y-Richtung in der vorletzten Figur. Fixieren wir also den Bereich der Massen der Spiralgalaxien, sprich schauen wir uns nur gleich schwere Spiralgalaxien an, haben wir ein Spektrum verschieden grosser Bulgen. Um das zu veranschaulichen: Wir nehmen uns zehn gleich schwere Spiralgalaxien, die identisch ausschauen, bis auf die zentrale Bulge, die manchmal riesig, manchmal winzig, und auch mal zwischen den Extremen sein darf.  Nun schauen wir uns an, wie die Bulgengrösse mit der Anzahl Satelliten zusammenhängt für gleichschwere Spiralgalaxien. Im folgenden zeigen wir für drei verschiedene Massenspektren (leicht: links, mittelschwer: mitte; schwer: rechts) der Spiralgalaxien die Anzahl an Zwerggalaxien (y-Achse) in Abhängigkeit zur Bulgengrösse (x-Achse).Die 3 Figuren zeigen für unterschiedliche Spiralgalaxienmassen den Zusammenhang zwischen der Masse der Bulge und der Anzahl Satelliten. Dabei findet man gleich viele Satelliten für alle verschiedenen Bulgemassen.Was wir feststellen ist, dass die Anzahl an Satellitengalaxien konstant bleibt, egal wie massig die Bulge ist. Egal was für eine Masse die Bulge hat, di Anzahl der Zwerggalaxien bliebt konstant, was durch die Linie dargestellt ist. Zwar nimmt die totale Anzahl an Satelliten zu, wenn wir zu schwereren Spiralgalaxien gehen (was wir in der zweiten Figur schon gesehen haben), aber wir sehen keinen Trend der zeigen würde, dass mit einer grösseren Bulge mehr Satellitengalaxien zu erwarten wären. Dies entspricht somit nicht den Beobachtungen, bei denen tatsächlich eine solche Abhängigkeit gefunden wurde. Wir bestätigen somit die Behauptungen früher Studien, dass es eine solche Korrelation im Standardmodell der Kosmologie nicht geben dürfte. Neben dem „Fehlenden Satelliten“ Problem und dem „Satellitenebenen“ Problem stellen wir nun also ein weiteres kosmologisches Problem auf der Skala der Galaxien fest (leider ist mir persönlich noch kein einschlagender Name eingefallen, hat jemand einen Vorschlag?). Spannend dabei wird zu beobachten, wie die Wissenschaftsgemeinde in den nächsten Jahren mit diesem Fund umgehen wird.

Und was ist mit MOND?

Interessanterweise existiert in MOND ein Zusammenhang zwischen der Grösse der Bulge und der Anzahl Satelliten. In MOND entstehen die Zwerggalaxien vorallem während Kollisionen von Galaxien, sie sind sogenannte Gezeitenzwerge. Das heisst, je mehr Kollisionen eine Spiralgalaxie hatte, desto grösser ist die Anzahl an Zwerggalaxien, und desto mehr kann die Bulge heranwachsen. Während dieses qualitative Argument zuerst einleuchtend ist, möchte ich hier dennoch zur Vorsicht warnen: Bisher gibt es keine Studien, die einen solchen Zusammenhang in MOND quantifiziert haben. Solche Simulationen müssen erst noch gemacht werden. Falls in Zukunft solche Studien durchgeführt werden und sie tatsächlich einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Satelliten und der Grösse der Bulge finden, dann wird dies ein spannendes Fund um zwischen der Dunklen Materie Theorie und alternativen Gravitationstheorien zu unterscheiden.

 

2 Gedanken zu “Ein weiteres kosmologisches Rätsel – Die Häufigkeit der Zwerge um Spiralgalaxien

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