Wissenschaft

Zwerggalaxien widersprechen dem kosmologischen Standardmodell

Es könnte nun angenommen werden, dass es geometrische Konstellationen von Filamenten geben muss, die flache Strukturen um Spiralgalaxien begünstigen. Kurz nach Kroupas Entdeckung tauchten solche abgeflachten Galaxien in den Simulationen auf. Aber sie sind immer noch viel größer als das, was wir in den Zwerggalaxien um die Milchstraße beobachten. Das Satellitenflugzeug ist tatsächlich ungefähr 20 Kiloparsecs dick (ein in der Astronomie übliches Längenmaß – ein Parsec entspricht ungefähr 3,3 Lichtjahren), während die Filamentdurchmesser 200 Kiloparsec und mehr betragen. Seltsamerweise fahren alle Autos nur in der Mitte auf einer zehnspurigen Autobahn. Um solche komprimierten Strukturen zu erklären, müssten die Zwerge nur entlang der Hauptadern der Filamente zusammenbrechen. Es gibt keinen erkennbaren physischen Grund dafür.

Belastung…

Centaurus A | Die Galaxie Centaurus A ist ungefähr 13 Millionen Lichtjahre entfernt. Die Strahlung und Materie, die senkrecht zur Staubscheibe emittiert wird, stammt aus einem Schwarzen Loch in der Mitte.

2013 bestimmte ein Team unter der Leitung von Rodrigo Ibata vom Observatoire de Strasbourg die Bewegungen der Zwerggalaxien um die Andromeda-Galaxie. Da die Objekte so weit von uns entfernt sind, können die Positionsänderungen mit Teleskopen nicht räumlich aufgelöst werden. Aber die Wellenlängen ihres Lichts verschieben sich messbar, wenn sie sich entlang unserer Sichtlinie bewegen. Der Unterschied wird im Spektrum in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit auf uns zu oder von uns weg gebildet – dies ist der bekannte Doppler-Effekt. Glücklicherweise steht uns die Ebene der Zwerggalaxien gegenüber. Das heißt, wenn sie sich in dieser Ebene um die Andromeda drehen, müssen sie eine Seite in den roten und die andere in den blauen Bereich des Spektrums verschieben. Genau das hat die Forschung herausgefunden! Auch dort drehen sich Zwerggalaxien in einer dünnen Ebene in die gleiche Richtung – wie bei den Gefährten der Milchstraße.

Ein dritter Ausreißer?

Damals habe ich an der Universität Basel in Astronomie promoviert. Meine Vorgesetzten Bruno Binggeli in Basel und Helmut Jerjen von der National University of Australia in Canberra und ich fragten uns, ob unsere sogenannte lokale Gruppe, bestehend aus der Andromeda-Galaxie und der Milchstraße, nur ein Ausreißer im kosmologischen Modell ist oder ob andere Galaxien ebenfalls solche unerwarteten haben Eigenschaften haben. . Deshalb haben wir an solchen Orten nach Zwerggalaxien gesucht. Wir begannen mit der Centaurus-Gruppe am südlichen Firmament und verwendeten die Dark Energy Camera für eines der besten Teleskope der Welt in Chile. Die Centaurus-Gruppe besteht wie unsere lokale Gruppe aus zwei großen Galaxien: Centaurus A, eine elliptische Galaxie, und Messier 83, eine Spiralgalaxie ähnlich der Milchstraße. Es gibt auch eine Handvoll Zwerggalaxien. In einer Beobachtungskampagne zwischen 2014 und 2015 haben wir mehr als 500 Quadratmeter am Sternenhimmel gescannt, um die gesamte Centaurus-Gruppe zu erfassen. Dies entspricht einer Fläche von 2000 Vollmonden. Am Ende haben wir die Anzahl ihrer bekannten Zwerggalaxien verdoppelt.

Gleichzeitig untersuchte ein Team unter der Leitung von Brent Tully vom Institut für Astronomie in Hawaii die bereits um Centaurus A identifizierten Zwerggalaxien und stellte fest, dass sie ebenfalls nicht kugelförmig, sondern eher flach waren. Dies konnten wir mit den neu entdeckten Zwerggalaxien überprüfen. Auch bei ihnen sieht das Satellitensystem von Centaurus A relativ flach aus, wenn auch nicht so stark wie bei der Milchstraße. Dies ist jedoch verständlich, da Centaurus A viel mehr Masse hat und daher im Allgemeinen eine größere Struktur erwartet werden würde. Als wir den dreidimensionalen Aufbau untersuchten, bemerkten wir etwas Grundlegendes: Die Ebene der Zwerggalaxien um Centaurus A hat wie die Andromeda-Galaxie ihren Rand in unserer Sichtlinie. Auf diese Weise konnten wir testen, ob die Zwerggalaxien auf der einen Seite rot und auf der anderen blau verschoben erscheinen, dh ob das Satellitensystem von Centaurus A auch aus einer rotierenden Ebene besteht. In der Literatur haben wir bereits Geschwindigkeitsmessungen für 16 der bekannten Zwerggalaxien um Centaurus A gefunden. Wir haben die Positionen und Werte aufgezeichnet und waren erstaunt: 14 der 16 Satelliten bewegten sich erwartungsgemäß mit einem rotierenden System. Dies war der dritte der drei bisher untersuchten Fälle, in denen sich die Zwerggalaxien nicht gemäß den Modellen verhalten.

Centaurus-A-ZwergeBelastung…

© Oliver Müller (Detail)

Centaurus-A Zwerge | Die 16 vom Autor untersuchten Zwerggalaxien umkreisen die Galaxie Centaurus A (schwarzer Punkt) weitgehend in einer Ebene: Zum einen bewegen sie sich von uns weg (rote Dreiecke, die Länge der Linien gibt die Geschwindigkeit an), zum anderen. auf uns zu (blaue Dreiecke).

Mein Kollege Marcel Pawlowski, derzeit Mitglied des Leibniz-Instituts für Astrophysik in Potsdam, verglich die Beobachtungen rund um Centaurus A mit den derzeit besten kosmologischen Simulationen. Er fand die gleichen Chancen wie für die Milchstraße – die Situation tritt nur in etwa einem halben Prozent der berechneten Fälle auf. Tatsächlich hätte man mehr als eine Million Galaxiengruppen beobachten müssen, um die Systeme Milchstraße, Andromeda und Cen-A genau nacheinander zu finden. Waren wir nur sehr glücklich oder steckt mehr dahinter?

Viele Ideen, aber keine heiße Spur

Die Frage, ob solche rotierenden Satellitenstrukturen das kosmologische Modell stören oder ob wir die Bedeutung der Zwerggalaxien überinterpretieren, wurde seitdem in Fachkreisen heftig diskutiert. Für Noam Libeskind vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam ist dies beispielsweise eine Besonderheit unserer galaktischen Umwelt. Die drei Galaxien befinden sich am Rand einer großen Leere des kosmischen Netzes und scheinen mehr oder weniger darauf ausgerichtet zu sein. Die Ausdehnung der Hohlräume könnte flache Bereiche wie einen Ballon begünstigen, dessen Gummihaut beim Aufblasen immer dünner wird. Zusätzlich zur Ausdehnung des Hohlraums verstärkt der massive Virgo-Galaxienhaufen den Effekt, da er auch die Schwerkraft auf den Ebenen direkt von ihren Rändern zieht. Wie die Rotation durch das kosmische Drücken und Ziehen zustande kommen könnte, ist immer noch ein offenes Problem. Für Kroupa ist die Sache jedoch klar: Die Simulationen sagen die Beobachtungen nicht zufriedenstellend voraus, so dass das zugrunde liegende Modell der dunklen Materie falsch sein muss.

Bessere Computerberechnungen haben das Problem auf Satellitenebene noch nicht gelöst, wie dies bei den fehlenden Satelliten der Fall war. Im Gegenteil, die Wahrscheinlichkeit solcher rotierenden Schichten von Zwerggalaxien wurde noch geringer. Andererseits kann das Modell viele andere Phänomene sehr genau beschreiben – und eine Diskrepanz muss nicht die gesamte Kosmologie über Bord werfen.

Was passiert jetzt? In einer Beobachtungskampagne mit dem größten optischen Teleskop der südlichen Hemisphäre, dem Very Large Telescope, beobachten wir zusammen mit Marina Rejkuba, Michael Hilker und Katja Fahrion vom European Southern Observatory andere Zwerggalaxien, die Centaurus A. umkreisen. Andere Experten suchen ebenfalls nach Zwerggalaxien in weiter entfernten Galaxien und haben sogar Hinweise auf Flugzeugranglisten gefunden. Genauere dreidimensionale Positionsmessungen helfen beim Verständnis der rotierenden Systeme. Wir versuchen auch zu überprüfen, ob sie mit dem Standardmodell der Kosmologie kompatibel sind. Eine unserer Ideen: Gigantische Galaxienkollisionen können das Phänomen verursachen. Zumindest Centaurus A hatte gerade einen. Darüber hinaus suchen wir nach Ansätzen, die entweder die Eigenschaften der Dunklen Materie im Standardmodell oder sogar die Gravitationstheorie selbst verändern. Modifizierte Gravitationstheorien stecken jedoch noch in den Kinderschuhen und können noch nicht mit den vielen anderen Erfolgen des Standardmodells konkurrieren.

Auf jeden Fall ist in den letzten Jahrzehnten eines klar geworden: Wenn wir das Geheimnis der dunklen Materie lösen wollen, müssen wir die seltsamen Phänomene verstehen, die die Zwerggalaxien umgeben. Weil wir gerade erst begonnen haben, die Dunkelheit der kleinsten Strukturen im Universum zu erhellen.

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Lili Falk

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