Wölbungen und Wellen in vollständig kosmologischen Modellen von galaktischen Scheiben

1. Oktober 2016

Die Sternscheiben nahe gelegener Spiralgalaxien sind in der Regel nicht flach und zeigen oft Wellen und Wölbungen. Auch unsere eigene galaktische Scheibe scheint gewellt zu sein. Es ist immer noch unklar, wodurch diese Strukturen entstehen. Ein Forscherteam am MPA, zusammen mit Mitarbeitern an anderen Instituten, untersuchte diese Fragestellung nun durch die Analyse von neuen Simulationen, wie sich Spiralgalaxien bilden. Wie ihre Studie zeigt, sind nahe Begegnungen mit Satellitengalaxien und der Vorbeiflug weiter entfernter, massereicher Begleiter die häufigsten Ursachen. In einigen Fällen, können die Krümmungsmuster in den Scheiben auch durch die Akkretion von kaltem Gas angetrieben werden. Die vertikalen Geschwindigkeiten, die durch diese Muster erzeugt werden, können bis zu 60 km/s erreichen. Derartige Störungen sollten damit in den Geschwindigkeitsfeldern von Galaxien, die in Aufsicht beobachtet werden, leicht nachweisbar sein. Dies eröffnet einen neuen Zugang, die Struktur galaktischer Sternscheiben zu untersuchen, und ermöglicht es uns zu verstehen, wie und wie oft solche Wellenmuster im nahen Universum entstehen.

Abbildung 1: Künstlerische Darstellung eines Wellenmusters in einer galaktischen Sternscheibe. Mit größerem Abstand vom galaktischen Zentrum nimmt die Oberflächendichte der Scheibe ab, die Amplitude der vertikalen Störungen steigt.

Große Beobachtungskampagnen von Spiralgalaxien haben gezeigt, dass ihre Sternscheiben oft nicht flach sind, sondern dass ihre vertikale Struktur gestört ist. Es gibt starke Hinweise darauf, dass auch unsere eigene galaktische Scheibe erheblich gestört wurde. Die häufigste Morphologie für diese vertikalen Störungen ist die sogenannte S-förmige oder 'Integralzeichen'-Kurve, die häufig in Galaxien zu sehen ist, die von der Seite beobachtet werden. Andere Arten von Verzerrung wurden jedoch ebenso, wenn auch weniger häufig, beobachtet. So zeigt beispielsweise unsere galaktische Scheibe keine flache Ebene sondern eine gewellte Struktur, ähnlich dem Muster, das auf einem Teich beobachtet wird, nachdem ein Stein hineingefallen ist (siehe Abbildung 1).

Mindestens zwei wichtige Mechanismen sind bekannt, die vertikale Störungen in den ansonsten flachen äußeren Scheiben von Spiralen erzeugen können. Der erste Mechanismus ist die Verzerrung einer bereits bestehenden Scheibe durch die Gezeitenkräfte eines äußeren Störfaktors. Das Standardmodell der hierarchischen Strukturbildung sagt nicht nur voraus, dass Galaxien von einer nicht-kugelsymmetrischen Verteilung der Dunklen Materie umgeben sind, sondern auch, dass sie durch Fusionen mit Satellitengalaxien Masse hinzugewinnen und sich morphologisch entwickeln. Starke Gezeitenmomente werden auf eine bereits bestehende Scheibe ausgeübt, wenn relativ massereiche Satelliten vorbeiziehen und vertikale Störungen, wie z.B. Wölbungen, können induziert werden. Darüber hinaus kann ein Halo aus Dunkler Materie, der in Bezug auf die eingebettete Scheibe nicht symmetrisch ausgerichtet ist, ebenfalls solche vertikalen Erscheinungen erzeugen. Ein anderer Mechanismus ist die nicht symmetrische Akkretion von kaltem Gas. Eine solche Akkretion kann entstehen nach einer engen Begegnung mit einem gasreichen Satelliten, aus nicht symmetrischem Einfall aus dem kosmischen Netz, oder von einem abkühlenden, heißen Gashalo.

Abbildung 2: Oben: Zwei Beispiele für simulierte Sternscheiben aus dem Auriga-Projekt. Die Farbe ist ein Maß für die Oberflächenhelligkeit im V-Band. Unten: Die mittlere Abweichung von einer flachen Scheibe für die beiden Galaxien oben. Die Farbe hier gibt die mittlere Abweichung an, wobei blau (rot) anzeigt, dass die Sternscheibe im Durchschnitt unter(ober)halb der Mittelebene liegt.

Diese enge Verbindung zwischen den Sternscheiben und den äußeren Bereichen der Galaxien deutet an, dass es möglich ist, die unsichtbaren Strukturen in den Halos von Galaxien zu untersuchen, indem man die vertikale Struktur ihrer Scheiben charakterisiert. Bisher konnte man jedoch noch nicht eindeutig nachweisen, welches der dominierende Mechanismus für die beobachteten vertikalen Störungen ist. Darüber hinaus wurde die Häufigkeit, mit der Wellenmuster (wie das in der Scheibe unserer Milchstraße) in einem kosmologischen Kontext entstehen, nicht quantifiziert. Um dieses Problem näher zu untersuchen, analysierte ein Team von Wissenschaftlern am MPA, zusammen mit Mitarbeitern an anderen Instituten, eine Reihe von modernsten kosmologischen Simulationen der Entstehung von Scheibengalaxien (17 hochmoderne, voll kosmologische, hydrodynamische Simulationen). Diese Simulationen, bekannt als Auriga-Projekt, enthalten die wichtigsten physikalischen Prozesse, die für die Entstehung und Entwicklung von Galaxien relevant sind, und folgen selbstkonsistent der Entwicklung von Gas, Sternen und dunkler Materie im Lauf der Zeit. Insgesamt stellen sie eine der besten derzeit verfügbaren Simulationssätze dar für Studien, wie sich Galaxien mit der Größe der Milchstraße bilden.

Die Analyse dieser Simulationen zeigt, dass zum heutigen Zeitpunkt etwa 70% der simulierten galaktischen Scheiben starke vertikale Verzerrungen zeigen, mit Ausschlägen bis zu mehr als 2 kpc – oder fast siebenmal höher als die mittlere Dicke der Scheibe. Rund die Hälfte sind typische 'Integralzeichen'-Verzerrungen, der Rest sind Wellenmuster (siehe Abbildung 2). Die Vorhersage is daher, dass derartige Strukturen häufig auftreten.

Abbildung 3: Oben: Mittlere Abweichung von einer flachen Scheibe für eine unserer simulierten Galaxien. Die vertikalen Muster in dieser Sternscheibe wurden von einem fernen Vorbeiflug eines relativ massereichen Satelliten angeregt. Unten: Das mittlere vertikale Geschwindigkeitsfeld für die gleiche galaktische Scheibe. Die Amplitude der Störungen kann bis zu 60 km/s betragen.  

Die vertikalen Störungen haben eine Vielzahl von Ursachen. Die häufigsten sind Begegnungen mit Satellitengalaxien, die aus überraschend großen Entfernungen effektiv sein können. In einigen Fällen werden die vertikalen Muster der Scheiben aber eindeutig durch die nicht symmetrische Akkretion von kaltem Gas aus dem Halo oder von Verschmelzungen erzeugt. Durch Gezeitenkräfte induzierte vertikale Muster finden sich sowohl in jungen wie alten Sternpopulationen der Scheibe, während diejenigen, deren Ursprung in der Akkretion kalten Gases liegt, vor allem in den jüngeren Sternpopulationen auftreten.

Das Forscherteam charakterisierte auch die mittleren Vertikalbewegungen, die durch diese Muster entstehen. Satelliten können vertikale Geschwindigkeiten von bis zu 60 km/s induzieren, recht große Geschwindigkeiten im Vergleich zur Rotationsgeschwindigkeit der Milchstraße von 220 km/s (siehe Abbildung 3). Derartige Störungen sollten damit in den Geschwindigkeitsfeldern von Galaxien, die in Aufsicht z. B. mit einem Integral-Feld-Spektrometer oder einem Radiointerferometer beobachtet werden, leicht nachweisbar sein. Dies dürfte die einfachste Methode sein, um die vertikale Struktur von galaktischen Scheiben in nahen Galaxien zu untersuchen, und würde einen direkten Weg liefern, die Häufigkeit mit der oszillierende, vertikale Muster im nahen Universum entstehen, abzuschätzen.

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