Transversale Zwerggalaxien verspotten den kosmischen Konsens

Bild NASA/Esa, Bearbeitung von Studio V

Es ist hässlich klein, zumindest nach astronomischen Maßstäben. Man könnte meinen, es verdient kaum Aufmerksamkeit. Doch Zwerggalaxien – eine Art Miniaturversion der Milchstraße – sind der Kosmologie ein Dorn im Auge. Sie weisen missverstandene Eigenschaften auf. Sie verhalten sich anders als erwartet. Kurzum: Es passt nicht gut zum Standardbild der Evolution des Universums. Niemand weiß, wie man diese Probleme loswird.

Große Spiralgalaxien wie unsere eigene Milchstraße und Andromeda – scheibenförmige Ansammlungen von mehreren hundert Milliarden Sternen – sind heute gut verstanden. Dies gilt auch für elliptische Systeme, die die Form einer Kiwi oder Mandarine haben: leicht verlängert oder leicht abgeflacht. Es entsteht, wenn zwei Spiralgalaxien kollidieren und verschmelzen, was innerhalb weniger Milliarden Jahre auch der Milchstraße und Andromeda passieren wird.

Aber Zwerggalaxien sind anders. Anfangs viel kleiner, manchmal mit nicht mehr als ein paar hunderttausend Sternen. Die Form ist oft unregelmäßig, obwohl auch Zwergovale vorkommen. Und das sind ziemlich viele: Dutzende wurden bereits in unmittelbarer Nähe der Milchstraße entdeckt, auch andere große Galaxien sind von ihr umgeben, genauso wie große Städte, die von landwirtschaftlichen Dörfern umgeben sind.

Kopfschmerz-Datei

Ellen Tolstoy von der Universität Groningen sucht seit Jahren nach Milchstraßen-Zwergen. Sein größtes Kopfschmerzprofil ist Reticulum II, ein längliches Sternenbüschel in etwa 100.000 Lichtjahren Entfernung, das erst 2015 entdeckt wurde. “Die Sterne in diesem Zwerg enthalten eine unerwartete Menge schwerer Elemente wie Europium”, sagt Tolstoi. Warum ist das unbekannt. Es können katastrophale Sternkollisionen aufgetreten sein, die diese Elemente geschaffen haben. Andere Astronomen haben hochenergetische Gammastrahlen aus der Zwerggalaxie aufgefangen – und auch dafür gibt es keine gute Erklärung.

Aber Reticulum II ist nur einer von vielen Querzwergen. “In letzter Zeit wurden viele neue Galaxien entdeckt, und sie sind alle seltsam”, sagt Tolstoi. “Sterne in Zwerggalaxien haben ganz andere Eigenschaften und oft eine andere chemische Zusammensetzung als Sterne in der Milchstraße.” Auffallend, denn es wird allgemein angenommen, dass große Jungs wie die Milchstraße über Milliarden von Jahren gewachsen sind, indem sie ihre kleineren Gefährten übertroffen haben.

Generell stimmt dieses Bild des sogenannten hierarchischen Wachstums: Das europäische Weltraumteleskop Gaia entdeckte lange Sternenketten in der Milchstraße – Zwerge, die von Gezeitenkräften komplett auseinandergerissen wurden. “Aber irgendwie fehlt uns etwas”, sagt Tolstoi. “Jedenfalls waren Zwerggalaxien, wie wir sie heute sehen, nicht die ursprünglichen Bausteine ​​der Milchstraße.”

Das behauptet das berühmte kosmische Standardmodell. Nach dieser Theorie, die als komplexes Lambda-CDM bezeichnet wird, wird die Entwicklung des Universums von mysteriöser dunkler Energie (dargestellt durch den griechischen Buchstaben Lambda) und kalter dunkler Materie (“kalte dunkle Materie”: CDM) dominiert. Dunkle Energie lässt das Universum immer schneller expandieren; Dunkle Materie – ein mysteriöses Teilchen, dessen wahre Natur noch unbekannt ist – will die Dinge zusammenhalten.

Computersimulation

Mit Supercomputern können Sie die kosmische Entwicklung des Lambda-CDM-Universums in beschleunigtem Tempo simulieren, und die Ergebnisse dieser Simulation stimmen überraschend gut mit dem realen Universum um uns herum überein. Zumindest, wenn Sie Zwerggalaxien nicht viel Aufmerksamkeit schenken, denn plötzlich werden Sie auf alle möglichen Anomalien und Probleme stoßen.

Computersimulationen zeichnen ein klares Bild. Kurz nach dem Urknall beginnt sich unsichtbare Dunkle Materie zu kleinen, etwas kugelförmigen Wolken zu verklumpen. Diese dunklen „Halos“ ziehen mit ihrer Schwerkraft auch gewöhnliche Gasatome an. Aus diesem Gas entstehen Sterne und so entstehen unzählige Zwerggalaxien. Sie verschmelzen bald zu größeren Galaxien wie der Milchstraße und Andromeda. Diese wachsen dann bis heute weiter, indem sie ständig neue Zwerge fressen.

Es klingt gut, aber die Realität scheint sich nicht viel um die Theorie zu kümmern. Zumindest wenn es um Zwerggalaxien geht. Zunächst einmal sind es nicht viele genug. Glaubt man den Simulationen, sollten sich jetzt Hunderte von Hunderten in unserer Milchstraße finden, anstatt ein paar Dutzend. Rara, wo sind sie?

Kreative Theoretiker haben eine Lösung für dieses “Missing-Dwarf-Problem” gefunden: Sie mögen da sein, aber sie sind alle dunkle Materie, und aus irgendeinem Grund haben sich in ihnen keine Sterne gebildet. “Es könnte sein”, sagt Tolstoi, “aber es ist natürlich schwer zu überprüfen.” Astronomen haben versucht, durch den Einfluss der Schwerkraft unsichtbare Halos aus Dunkler Materie zu entdecken, bisher jedoch ohne Erfolg.

Fliegende Kunst und Arbeit

Das zweite Rätsel ist, dass die Geschwindigkeitsverteilung von Sternen in Zwerggalaxien nicht den Erwartungen entspricht. Aufgrund der Anziehungskraft klumpiger dunkler Materie würde man erwarten, dass sich Sterne, die sich näher am Zentrum bewegen, viel schneller bewegen als etwas weiter, aber tatsächlich gibt es eine Art Geschwindigkeitsplateau. In einigen theoretischen und aeronautischen Kunstwerken kann dies erklärt werden, aber es scheint nicht ganz richtig zu sein.

Das dritte Rätsel hat nichts mit den Eigenschaften der Zwerge zu tun, sondern mit ihrer Verteilung im Universum. Laut Computersimulationen sollen große Galaxien von allen Seiten von dem Gefolge von Statuen umgeben sein. Tatsächlich kreisen Zwerge mehr oder weniger in einer flachen Ebene – nicht nur um unsere Milchstraße, sondern auch um die Andromeda-Galaxie und das elliptische System Centaurus A.

Nun ist die Computersimulation natürlich nur eine Computersimulation. „Sie sind immer von Unsicherheit umgeben“, sagt Timur Seifollah, ein im Iran geborener Astrophysiker, der diesen Sommer in Groningen promovieren möchte. Außerdem sind die meisten Simulationen in erster Linie darauf ausgelegt, Einblicke in das Verhalten der Dunklen Materie zu geben – was in den Berechnungen viel einfacher zu erfassen ist als das Verhalten von Gas und Sternen, denn bei Dunkler Materie muss man sich nicht mit Temperaturunterschieden auseinandersetzen und elektrische und magnetische Ladungen.

Die Suche nach Zwerggalaxien spiele jedenfalls eine Schlüsselrolle bei der Erprobung des Lambda-CDM-Modells und bei der kontinuierlichen Verbesserung bestehender Computersimulationen, sagte Saifullah. Und laut seinem Promoter Reynier Peletier wissen wir noch sehr wenig über ihn. „Es stehen nicht annähernd genügend Monitoringdaten zur Verfügung“, sagt Pelletier. Das liegt natürlich daran, dass Zwerge so klein sind und als lichtschwach bezeichnet werden: Astronomen können sie wirklich nur in unserem kosmischen Hinterhof im Detail studieren.

Sie schlafen

Peltier und Saifullah stehen daher der erstaunlichen Forschung von Peter van Dokkum von der Yale University in den fernen Zwerggalaxien DF2 und DF4 sehr skeptisch gegenüber. Diese Galaxien sind laut van Dokkum und Kollegen 65 Millionen Lichtjahre entfernt und enthalten praktisch keine Dunkle Materie, was auf den ersten Blick dem kosmologischen Standardmodell widerspricht.

Jüngste Messungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop scheinen die Entfernungsmessungen des US-Teams zu bestätigen, aber Pelletier glaubt dies nicht. “Der spanische Astronom Ignacio Trujillo, mit dem ich zusammengearbeitet habe und dem ich voll vertraute, analysierte die gleichen Hubble-Messungen und kam den beiden Galaxien viel näher, nur 45 Millionen Lichtjahre entfernt.” Dies bedeute, dass die Schlussfolgerungen von van Dokkum und Kollegen zweifelhaft seien, möchte er sagen.

Wenn das populäre Bild der Kosmologie angegriffen wird, gehen die Gefühle manchmal hoch. Trujillo und van Dokkum sind seit Jahren uneins. Laut Timur Saifullah ist es an der Zeit, dass mehr Astronomen ihre Aufmerksamkeit auf die mysteriösen Zwerge DF2 und DF4 richten. „Allerdings ist es total seltsam und könnte uns sowieso mehr über das Verhalten der Dunklen Materie verraten“, sagt er.

neue Projekte

Auch wenn sich herausstellt, dass die beiden Zwerggalaxien laut Elaine Tolstoi nicht wirklich Dunkle Materie enthalten, lässt sich dies dennoch im Standardmodell erklären. „Wer weiß, sie erschienen ganz anders als gewöhnliche Zwerge“, sagt sie. Jedenfalls hat sie noch nicht das letzte Wort dazu gesagt.

Tolstoi betont auch die Bedeutung von mehr und besseren Beobachtungen, insbesondere von Zwerggalaxien. Zum Beispiel mit dem empfindlichen Weave-Spektrometer, das zum Teil in den Niederlanden gebaut und kürzlich am William Herschel-Teleskop auf der Kanareninsel La Palma installiert wurde. Auch das europäische Vesta-Teleskop in Chile wird in einigen Jahren mit einem derart ausgereiften Instrument ausgestattet, und das ebenfalls europäische Weltraumteleskop Euclid soll Ende 2022 starten, worauf sich Reynier Peletier besonders freut. .

Es besteht kein Zweifel, dass diese neuen Projekte mehr Informationen über die außer Kontrolle geratene Ausbreitung des Universums liefern werden. Aber Tolstoi weiß nicht, was das für die Mysterien bedeutet, die noch immer Zwerggalaxien umgeben. Haben wir es nicht gerade ausführlich genug studiert? Oder stimmt etwas grundsätzlich nicht mit unseren Vorstellungen von der Entwicklung des Universums? Das ist immer die Frage.

Magellansche Wolken

Die beiden bekanntesten Begleiter der Milchstraße sind die Magellanschen Wolken, die nur von den Tropen oder der Südhalbkugel aus zu sehen sind. Sie ist viel größer als “gewöhnliche” Zwerggalaxien: Die Große Magellansche Wolke enthält etwa dreißig Milliarden Sterne. Clen etwa drei Milliarden. Darüber hinaus wurde nun mit Sicherheit festgestellt, dass es sich bei den beiden Galaxien eher um zufällige Transienten handelt, da sie zum ersten Mal in relativ geringer Entfernung durch die Milchstraße geflogen sind. Die Magellan-Wolken sind nach dem portugiesischen Entdecker Fernando de Magellan benannt, der sie 1519 beschrieb. Der amerikanische Astronom Harlow Chapley entdeckte in der zweiten Hälfte der 1930er Jahre die ersten echten Zwergengefährten der Milchstraße. Die überwiegende Mehrheit wurde erst in den letzten fünfzehn Jahren gefunden.

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