Unsere Milchstraße - keine typische Spiralgalaxie

1. Januar 2020

Durch die Analyse von Auriga-Simulationsdaten, bei denen eine große Anzahl von Galaxien ähnlich der Milchstraße in einem vollständig kosmologischen Kontext simuliert wurden, konnten Wissenschaftler am MPA die Entstehungsgeschichte der Milchstraße eingrenzen. Durch den Vergleich mit Beobachtungen unserer Heimatgalaxie – und insbesondere die Analyse, wie schnell sich Sterne unterschiedlicher Metallizität in den inneren Regionen der Galaxie bewegen – konnten sie bestimmte Entstehungsgeschichten ausschließen. Insbesondere stellten sie fest, dass unsere Galaxie ziemlich isoliert sein musste, da die letzte große Verschmelzung vor Milliarden von Jahren stattfand und die einfallende Galaxie eine Masse von weniger als 10% der Milchstraße hatte.

Die simulierte Galaxie aus der Auriga-Suite in diesem Bild ähnelt unserer Milchstraße: Sie zeigt eine eindeutige Spiralstruktur mit einem länglichen Sternbalken im Zentrum.

In der Milchstraße bewegen sich die Sterne im Zentrum auf länglichen Bahnen und bilden insgesamt eine Struktur, die als "Balken" bezeichnet wird und das Zentrum unserer Galaxie durchschneidet (siehe Abbildung 1 und Video). Betrachtet man die Scheibe der Milchstraße von der Seite, scheint der Balken außerdem eine ausgeprägte "X"- oder Erdnussform zu haben. Die MPA-Wissenschaftler suchten in ihren Simulationen nach Signaturen solcher Balken und fanden heraus, dass ein großer Teil der simulierten Galaxien diese Strukturen bildete. Anschließend untersuchten sie die Eigenschaften dieser Galaxien in Abhängigkeit von ihrer Verschmelzungsgeschichte genauer, d.h. wie oft andere Galaxien von der simulierten Milchstraße verschluckt wurden.

Um der hochgeordneten Rotation der Sterne in der Milchstraße zu entsprechen, müssen die simulierten Galaxien in den letzten 12 Milliarden Jahren eine sehr "ruhige" Verschmelzungsgeschichte gehabt haben; das heißt, dass keine massereiche Galaxie (größer als 10% der Masse der Milchstraße) in dieser Zeit mit der Galaxie verschmolzen sein kann. Die Begründung hierfür ist, dass die Bahnen ihrer Sterne durcheinander geraten, wenn eine massereiche Galaxie mit einer anderen verschmilzt. Dies würde zu einer weniger geordneten Bewegung und damit zu einer höheren Geschwindigkeitsdispersion führen. Da Galaxien wachsen, indem kleine Galaxien miteinander verschmelzen und mit der Zeit immer größere Strukturen bilden, bedeutet dies, dass die Milchstraße eine recht isolierte und daher seltene Galaxie im Universum sein muss. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass nur 2 von 40 simulierten Galaxien Eigenschaften haben, die zur Milchstraße passen – ein weiterer Hinweis darauf, dass unsere Heimatgalaxie wahrscheinlich ein "Ausreißer" im großen Schema der Galaxienentstehung ist.

Sternorbits in Balkenspiralgalaxien

Diese Simulation zeigt die Bewegung von Sternen in einer Spiralgalaxie in der Auriga-Simulation, die unserer Milchstraße ähnelt. Beide Visualisierungen zeigen die gleiche Galaxie, allerdings dreht sich rechts das Koordinatensystem mit der Galaxie, so dass der Sternbalken im Zentrum horizontal bleibt. Die Linien folgen den Bahnen von drei Sternen in verschiedenen Teilen der Galaxie: im Sternbalken sowie oben und unten.

Die aktuelle Studie hilft zudem, ein ziemlich einschneidendes Ereignis im Leben unserer Galaxie besser zu verstehen. In der bahnbrechenden zweiten Datenveröffentlichung des Gaia-Satelliten (Gaia DR2) wurde entdeckt, dass die Milchstraße wahrscheinlich vor etwa 9 Milliarden Jahren mit einer anderen Galaxie (genannt Gaia Enceladus) verschmolzen ist, vermutlich die letzte größere Verschmelzung in der Geschichte der Milchstraße. Die Masse von Gaia Enceladus wird jedoch immer noch diskutiert. Die Wissenschaftler des MPA können jetzt mit dieser Studie eine obere Grenze für die Masse von Gaia Enceladus angeben: Gaia Enceladus kann maximal 10% so massereich wie die Milchstraße gewesen sein, wahrscheinlich war ihre Masse aber nur 3% der Milchstraße.

Für fünf simulierte Galaxien zeigt dieses Diagramm, wo die Sterne der inneren Regionen geboren wurden: entweder in anderen Galaxien, die mit der Galaxie verschmolzen sind (ein kleiner Bruchteil) oder in-situ (die große Mehrheit).

Darüber hinaus untersuchten die Wissenschaftler, wo die Sterne in den inneren Regionen ihrer simulierten „Milchstraßen“ geboren wurden: über 99% dieser Sterne entstanden "in-situ", d.h. in der Scheibe der Galaxie selbst (siehe Abbildung 2). Dies steht im Gegensatz zu dem, was die Wissenschaftler bisher vermutet hatten, nämlich dass die Sterne in den inneren Bereichen der Milchstraße, der sogenannten "Ausbeulung", in anderen Galaxien entstanden sind, die mit der Milchstraße verschmolzen.

Die Simulationen zeigen zudem, wie sich die Balken auf die äußeren Bereiche ihrer Wirtsgalaxien auswirken und dass diese insbesondere in den Scheiben ihrer Wirtsgalaxien Wellen und Sternströme erzeugen. Derartige Wellen wurden mit Gaia DR2 auch in der Scheibe der Milchstraße entdeckt; allerdings konnten die Wissenschaftler die Entstehung dieser Wellen bisher nicht erklären. Durch den Vergleich einiger spezifischer Merkmale der Wellen, die an unterschiedlichen Stellen der Scheibe in Abhängigkeit von der Drehung des Balken entstehen, können die Wissenschaftler bestimmen, wie schnell der Balken unserer Milchstraße rotiert. Dies wird helfen zu erklären, was die beobachteten Wellen und Wellenbewegungen, die wir in der Scheibe der Milchstraße sehen, hervorgerufen hat, und damit die Struktur unserer Heimatgalaxie zu entschlüsseln.

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