Die Vielfalt der stellaren Halos in massereichen Scheibengalaxien

1. Januar 2016

Die stellaren Halos von Galaxien sind diffuse und lichtschwache Komponenten, die den Wissenschaftlern einen Einblick in die Entstehungsgeschichte von Galaxien bieten. Ein Forscherteam am MPA hat nun die Eigenschaften der stellaren Halos in großen Scheibengalaxien untersucht. Dabei wurden sowohl Beobachtungen als auch modernste Simulationen der Galaxienentstehung verwendet. Die Wissenschaftler fanden eine große Vielfalt in den Eigenschaften der Halos bei Galaxien, die sich - ansonsten - in Bezug auf Morphologie, Masse und Leuchtkraft sehr ähneln. Die beobachteten Eigenschaften, wie die mittlere Metallizität als Funktion des galaktozentrischen Abstands, können durch die Simulationen reproduziert werden, vorausgesetzt sie werden in gleicher Weise analysiert, wie die Beobachtungsdaten.

Abbildung 1: Der beobachtete stellare Halo von NGC 474 zeigt die komplexen Strukturen in den äußeren Bereichen der großen elliptischen Galaxie. Schalen und Gezeitensternströme bilden sich als Folge von sowohl Wechselwirkung mit als auch Akkretion von kleineren Galaxien.

Stellare Halos sind diffuse und schwach leuchtende Komponenten, die die meisten großen Galaxien umgeben. Sie bilden sich im Wesentlichen bei der Akkretion und dem Auseinanderreißen kleinerer Satellitengalaxien, enthalten aber auch einige Sterne, die in den inneren Bereichen der Galaxienscheibe entstanden sind. Stellare Halos sind sehr wichtig, um die Galaxienentstehung und -entwicklung zu verstehen, da sie die Akkretionsgeschichte der Galaxien nachzeichnen und als Sonden für die gesamte Materieverteilung der Galaxien dienen können. Allerdings sind die stellaren Halos weit weniger hell als die galaktische Scheibe. Sie zu beobachten ist daher eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe. In den vergangenen Jahrzehnten wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um diese diffuse Komponente der Galaxien aufzuspüren. Beobachtungen von Galaxien mit sehr langen Belichtungszeiten lieferten atemberaubende Bilder, wie zum Beispiel in Abbildung 1 gezeigt. Diese Beobachtungen trugen dazu bei den Einfluss von Akkretion und Verschmelzung auf die Ausformung der äußeren Bereiche der Galaxien besser zu verstehen. Außerdem zeigten sie die enorme Ausdehnung der Halos, die sich mehr als 100 kpc vom Zentrum der Galaxie aus erstrecken können.

Um die Eigenschaften der stellaren Halos im Detail zu untersuchen, müssen die Astronomen jedoch einzelne Sterne beobachten. Auf diese Weise ist es dann möglich, das mittlere Alter und die chemische Zusammensetzung (auch bezeichnet als Metallizität für alle Elemente außer Wasserstoff und Helium) der Sternpopulation eines Halos als Funktion der Entfernung vom galaktischen Zentrum abzuschätzen. Bis vor kurzem waren Studien der Halosterne weitgehend auf unsere eigene Milchstraße und die benachbarte Andromeda-Galaxie beschränkt
, da nur sie nah genug waren. In den letzten Jahren allerdings erweiterte das GHOSTS-Projekt diese Studie auf nahe Scheibengalaxien, dank der hervorragenden Auflösung des Hubble-Weltraumteleskops (Abbildung 2).

Abbildung 2: Optisches Bild einer der Galaxien in der GHOSTS-Studie, NGC 4945. Gelbe Quadrate zeigen Beobachtungen im stellaren Halo dieser Galaxie mit dem Hubble-Weltraumteleskop (HST).

In ihrer jüngsten Arbeit hat MPA-Wissenschaftlerin Antonela Monachesi einzelne Sterne in den Halos naher, michstraßenähnlicher Galaxien mit Hilfe von GHOSTS-Beobachtungen untersucht. Diese Studie zeigte, dass die Metallizität der beobachteten stellaren Halos eine große Vielfalt aufweist. Darüber hinaus ändert sich die Art und Weise wie diese Metallizität vom Abstand zum galaktischen Zentrum abhängt von Galaxie zu Galaxie. In der Hälfte der derzeit analysierten galaktischen Halos sinkt die mittlere Metallizität mit der Entfernung zum galaktischen Zentrum, während bei der anderen Hälfte keine signifikante Veränderung mit der Entfernung zu sehen ist.

Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse aus den GHOSTS-Beobachtungen, dass sich die Eigenschaften der stellaren Halos stark unterscheiden bei Galaxien, die ansonsten ähnliche Morphologie, Masse und Leuchtkraft besitzen. Der Prozess der Verschmelzung und Akkretion von Satelliten ist eher stochastisch; die Eigenschaften der stellaren Halos spiegeln somit die Eigenschaften der verschiedenen akkretierten Satellitengalaxien
wieder.

Das unterschiedliche Verhalten der Metallizität der stellaren Halos, wobei die Hälfte der Galaxien einen flachen Metallizitätstrend mit dem Abstand aufweist, schien im Widerspruch zu stehen zu früheren Ergebnissen aus hydrodynamischen Simulationen, die vorhergesagt hatten, dass eine große Variation der Metallizität mit dem Abstand eine allgegenwärtige Eigenschaft der Galaxien sein sollte. Um diese scheinbare Diskrepanz zu untersuchen, verwendete die Forschungsgruppe am MPA die modernsten hydrodynamischen, kosmologischen Simulationen "Auriga". Diese Simulationen beinhalten die wichtigsten physikalischen Prozesse für die Entstehung und Entwicklung von Galaxien im Universum und verfolgen selbstkonsistent die Entwicklung von Gas, Sternen und dunkler Materie im Laufe der Zeit.

Abbildung 3: Verhalten derMetallizität der stellaren Halos als Funktion des galaktozentrischen Abstandes für zwei simulierte Galaxien aus der Auriga-Simulation. Diese Abbildung zeigt, wie unterschiedlich das Verhalten der Metallizität der stellaren Halos in Abhängigkeit vom galaktozentrischen Abstand sein kann, wenn die Metallizität entweder durch Mittelung der Eigenschaften von Sternen in konzentrischen Kugelschalen (schwarz) gemessen wird, entlang einer Richtung senkrecht zur galaktischen Scheibe (blau) oder in der Scheibenebene (rot). Die gestrichelten Linien sind lineare Fits, um die Trends deutlicher zu zeigen. Die blauen Linien sind viel flacher als die beiden anderen, d.h. die Schwankungen der Metallizität sind viel geringer bei einer Mittelung senkrecht zur Scheibe – ein Verfahren, das bei Beobachtungen bevorzugt wird.

Die MPA-Gruppe analysierte die Metallizitätstrends der stellaren Halos von simulierten Galaxien mit ähnlichen Massen und Morphologien wie die Milchstraße und die GHOSTS-Galaxien. Als Hauptergebnis fanden die Wissenschaftler bei dieser Analyse, dass das Verhalten der mittleren Metallizität eines stellaren Halos in Abhängigkeit vom galaktozentrischen Abstand stark von der Art abhängt, wie diese sie gemessen wird. Misst man die durchschnittlichen Metallizitäten durch eine sphärische Mittelung der Eigenschaften der Halosterne um das galaktische Zentrum, wie in früheren Simulationen, so ergeben sich große Schwankungen in der mittleren Metallizität mit dem Abstand. Bestimmt man dagegen den Mittelwert der Metallizität entlang einer Richtung senkrecht zur galaktischen Scheibe, ist der Metallgehalt viel konstanter (Abbildung 3). Bei Beobachtungsstudien wird die zweite Methode bevorzugt, da die Wissenschaftler hier gleichzeitig die Kontamination mit Sternen aus der galaktischen Scheibe minimieren können. Die Forscher am MPA konnten somit verdeutlichen, wie wichtig es ist, Modelle und Beobachtungen der Halo-Metallizitätsdistributionen sorgfältig zu vergleichen. Dies ist der einzige Weg, um Spannungen zwischen Theorie und Beobachtung abzubauen.

In künftigen Arbeiten wird die Gruppe am MPA die Simulationen sehr sorgfältig und detailliert analysieren, um sie mit Beobachtungen zu vergleichen und diese zu interpretieren. Dies wird es ihnen ermöglichen, die Akkretionsgeschichte der GHOSTS-Galaxien
nachzuvollziehen.

Antonela Monachesi, Facundo Gomez und Guinevere Kauffmann

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