Neue Theorie zur Entstehung von Zwerggalaxien klärt offene Fragen

Entstehung und Eigenschaften von Zwerggalaxien zu erklären, verursachte bisher grosse Schwierigkeiten. „Vor zehn Jahren hat mein Team an der Universität in Washington herausgefunden, dass unsere kosmologischen Modelle 30 bis 50 mal mehr kleine Objekte vorhersagen, als wir beobachten.

Wären die Zahlen ungefähr gleich gewesen, wäre dem Modell ein schneller Erfolg sicher gewesen. Gäbe es keine Zwerggalaxien, hätten wir vielleicht einen Weg gefunden, ihre Entstehung in der Simulation zu unterbinden“, sagt der führende Autor George Lake und folgert: „So aber standen wir vor der Frage: 'Wie schaffen wir es, die meisten der Zwerggalaxien an ihrer Entstehung zu hindern, aber nicht alle?'“

Die gängigste Theorie, um die Entstehung vieler leuchtender Zwerggalaxien zu verhindern, ist, dass gewisse Ereignisse im frühen Universum das Gas entfernten, aus dem sich Sterne hätten formen können. Das erste dieser Ereignisse ist die globale Erhitzung und Reionisation des Universums, die sich während einer Milliarde Jahren nach dem Urknall ereignet haben. Gemäss dieser Theorie entgeht der kleine Anteil der Zwerggalaxien, der sich schnell genug gebildet hatte, der Zerstörung. „Obwohl dies eine interessante Idee ist, liefert sie keine Erklärung dafür, dass die meisten Zwerge Sterne haben, welche viel später entstanden sind“, sagt Lake.

Der neue Ansatz: Es beginnt mit der Gruppierung

Fragen aufgeworfen hat bisher auch die Formation von Zwerggalaxien: Zwerggalaxien sind nämlich seltsam gruppiert. „Sie sind 'kontaktfreudig' und ordnen sich in Gruppen an – sowohl innerhalb unserer Galaxie wie auch in nahe gelegenen Formationen“, fährt Co-Autorin Elena D'Onghia fort. „Man könnte fast meinen, sie würden Schneewittchen kennen, da sieben 'unserer Zwerge' mit den Magellanschen Wolken verbunden sind – den grössten Ablegern der Milchstrasse, die gut sichtbar sind, wenn man das Glück hat, den Himmel aus der südliche Hemisphäre beobachten zu können.“

Dass sich Galaxien im Universum hierarchisch formen, weil viele ihrer Bestandteile in Gruppen von kleineren Objekten eintreffen, haben Forscher bereits früher bemerkt. „Der entscheidende Faktor ist jedoch nicht, dass diese Zwerggruppen Gruppen sind, sondern dass sie einen 'Zwergenführer' oder 'Elternteil' haben. Wenn durch ein Ereignis im frühen Universum Gas aus den kleinsten Objekten heraus geschleudert wird, führt der Zwergenführer dieses Gas mit und ermöglicht so den kleinen Kameraden, es zu einem späteren Zeitpunkt wieder aufzunehmen“ sagt D'Onghia.

Lake und D'Onghia haben all diese Teile des Puzzles zusammengefügt und stellen die Theorie auf, dass die Magellanschen Wolken die grössten Mitglieder einer Gruppe von Zwerggalaxien sind, welche vor nicht allzu langer Zeit in den dunkeln Milchstrassen-Halo eintraten. Sieben der elf hellsten Satellitengalaxien unserer Milchstrasse waren Teil dieser Gruppe.

Neue Simulationen, die an der Universität Zürich durchgeführt wurden, zeigen, dass es für Zwerggalaxien typisch ist, sich in Gruppen zu formieren und zu einem späten Zeitpunkt in grosse Galaxien einzutreten. Gezeitenkräfte spalten diese Gruppen und verteilen die leuchtenden Zwerge auf der Milchstrasse. Auf diese Weise entstehen die Satellitengalaxien, welche wir heute beobachten.

Diese neuen Forschungsergebnisse von Lake und D'Onghia korrespondieren auch mit Messungen, welche erst neulich von Forschern der Harvard Universität, unter ihnen Nitya Kallivayalil und Gurtina Besla, durchgeführt wurden. Diese weisen darauf hin, dass sich die Magellanschen Wolken schneller bewegen als bisher angenommen und dass sie vielleicht erst kürzlich in die Milchstrasse eingetreten sind. „Das von D'Ongia und Lake vorgeschlagene Szenarium passt gut zu diesen Beobachtungen und könnte viele Eigenschaften des Satellitenbestandes der Milchstrasse erklären“, erklärt Lars Hernquist von der Harvard Universität.

Die Theorie von Lake und D'Onghia löst verschiedene Probleme im Zusammenhang mit der Entstehung von Galaxien und macht klare Voraussagen, welche in Kürze getestet werden. Eine dieser Voraussagen ist, dass bei isolierten Zwerg- und Satelliten-Galaxien Begleiter gefunden werden. Tatsächlich wurde seit dem erstmaligen Kursieren ihrer Theorie im Juli entdeckt, dass die Zwerggalaxie Leo IV einen kleinen Begleiter Leo V hat. Auch die Existenz nahe gelegener Zwergengemeinschaften unterstützt diese Theorie.

Spitzenforschung am Physik-Insitut der Universität Zürich

Die Astronomen Lake und D'Onghia sind beide am Institut für Theoretische Physik der Universität Zürich tätig. Dieses Institut ist bekannt für seine Pionierarbeit in der Relativitätstheorie und in der Kosmologie. Erst kürzlich hatte es führende Vorhersagen zu Verteilung und Eigenschaften der Dunkeln Materie im Universum gemacht.

Begriffe
Zwerggalaxie: Extragalaktisches Sternensystem, welches in der Morphologie den normalen Galaxien ähnlich ist, aber eine geringere absolute Helligkeit hat.

Magellansche Wolken: Zwei irreguläre Zwerggalaxien in nächster Nähe der Milchstrasse; Teil der Lokalen Gruppe; benannt nach Ferdinand Magellan, dem ersten Europäer, der die beiden Wolken anlässlich seiner Weltumseglung 1519 beschrieb.

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Prof. George Lake
Institut für Theoretische Physik
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Dr. Elena D'Onghia
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