Der Ursprung dunkler Galaxien

Ein Forschungsteam um Prof. Lucio Mayer von der Universität Zürich beschreibt in einem neuen Modell, wie dunkle Galaxien entstanden sind. Ursprünglich verfügten diese Galaxien über einen normalen Anteil leuchtender Materie. Erst im Kontakt mit grösseren Galaxien wie der Milchstrasse verloren sie die leuchtende Materie und wurden dunkel. Die Studie über die Entstehung dunkler Galaxien erscheint am 15. Februar 2007 in der Wissenschaftszeitschrift «Nature» (volume 445, issue 7218).

Eine der interessantesten Eigenheiten der Galaxien unseres Universums ist die Tatsache, dass sie grosse Mengen einer mysteriösen Form von Materie enthalten. Diese Materie offenbart sich durch ihre Gravitationswirkung auf normale Materie wie Gas und Sterne, sendet aber kein Licht aus. Die Beschaffenheit dieser so genannt dunklen Materie ist eines der grossen Rätsel der modernen Physik. Ebenfalls ungeklärt ist, weshalb der relative Anteil von dunkler Materie im Vergleich zu normaler Materie umso grösser wird, je kleiner die Galaxie ist. So besteht beispielsweise unsere Galaxie aus etwa gleich viel normaler wie dunkler Materie. Demgegenüber enthalten Galaxien, die einige tausend Mal kleiner sind und im Weltall recht häufig vorkommen, bis zu hundert Mal mehr dunkle als normale Materie.

In der Astrophysik hat man sich lange gefragt, ob es eine grundlegende Eigenschaft dunkler Materie ist, dass ihr Vorkommen mit abnehmender Grösse einer Galaxie zunimmt – und ob dies gar ein entscheidendes Merkmal dafür ist, wie Strukturen im Weltall wachsen. Seit einiger Zeit kennt man jedoch noch eine weitere Besonderheit der dunkelsten Galaxien: Man weiss, dass sie keine einzelnen Objekte sind, sondern sich tendenziell um massivere Galaxien häufen. Die bekanntesten Beispiele hierfür umkreisen unsere Milchstrasse. Solche winzigen «Satelliten»-Galaxien nennt man Zwergsphäroide, weil sie im Gegensatz zur Milchstrasse oder anderen grossen Galaxien, die scheibenförmig aussehen, klein und eher kugelähnlich (sphäroid) sind.

Prof. Lucio Mayer vom Institut für Theroretische Physik der Universität Zürich hat mit den ehemaligen PhD-Studierenden der UZH Stelios Kazantzidis (heute Stanford University/University of Chicago) und Chiara Mastropietro (heute Universität München) sowie James Wadsley (McMaster University) mit Hilfe von Simulationen sowohl dunkle Materie als auch normale Materie wie Sterne und Gas nachgeahmt. Sie haben mit den derzeit leistungsfähigsten Supercomputern der Welt, einschliesslich der «ZBox1»- und «ZBox2»-Supercomputer der Universität Zürich, die Gleichungen gelöst, die für ihre Entstehung im Weltall massgebend sind. Damit haben sie Licht in die noch dunkle Herkunft dieser kleinen Galaxien gebracht und vor allem neue Erkenntnisse darüber gewonnen, weshalb diese Zwerggalaxien einen so grossen Anteil an dunkler Materie besitzen.

Normale Materie verloren
Die Simulationen haben gezeigt, dass diese kleinen Galaxien ursprünglich aus relativ normalen Anteilen an dunkler und gewöhnlicher Materie bestanden haben. Dann haben sie jedoch aufgrund ihrer Interaktion mit massiveren Galaxien wie beispielsweise der Milchstrasse einen Grossteil ihrer normalen Materie verloren. «Wenn eine kleine Galaxie vor zehn Milliarden Jahren in die Nähe einer massiven Galaxie geriet, wurde sie durch ihre Gezeitenkraft erfasst, gedehnt und beim Eindringen in den gasförmigen Halo der grösseren Galaxie einem hydrodynamischen Wind ausgesetzt», erklärt Prof. Lucio Mayer. Vor vielen Milliarden Jahren war das Universum zudem durchdrungen von hochenergetischen ultravioletten Photonen, die damals in einem viel schnelleren Rhythmus entstanden als heute. Die gravitationsbedingte Gezeitenkraft führte dazu, dass sowohl dunkle als auch normale Materie von den Zwerggalaxien abgestreift wurde. Der Wind und die ionisierende Strahlung wirkten jedoch nur auf die normale Materie, weil dunkle Materie ausschliesslich auf die Schwerkraft reagiert.

Der starke Wind reichte aus, um alles Gas von der Zwerggalaxie abzutrennen, weil das Gas aufgrund der ionisierenden Strahlung heiss und nur schwach an die Galaxie gebunden war. «Letztlich wurde so bis zu mehrere Hundert Mal mehr normale Materie als dunkle Materie von der kleinen Galaxie abgestreift», so Mayer. Was schliesslich zurückblieb, war eine winzige leuchtende Galaxie, die nach wie vor umgeben war von einer grossen Hülle dunkler Materie. Mit diesem Modell lässt sich im Übrigen auch erklären, weshalb Zwergsphäroide kugelförmig sind und nicht scheibenförmig wie die Milchstrasse: Die Gezeitenwirkung massiver Galaxien verursacht auf natürliche Weise eine Störung der scheibenartigen Form und führt zu einer kugelförmigeren Verteilung der Sterne.

Die Autoren gehen davon aus, dass in der Weite des Alls noch eine sehr grosse Zahl von winzigen dunklen Galaxien verborgen sind, die darauf warten, entdeckt zu werden. Heute sind diese Zwerggalaxien kaum mehr sichtbar, weil durch die Abstreifprozesse nur wenige Sterne oder Gasknoten übrig geblieben sind. Mit den neuen leistungsstarken Teleskopen, die bald hergestellt werden, können sie aber aufgespürt werden. In den letzten Monaten vermeldete das Team des Sloan Digital Sky Survey, das riesige hochauflösende Aufnahmen von Galaxien erstellt und unter anderem von der NASA betrieben wird, bereits neue Entdeckungen. Falls sich diese Erkenntnisse bestätigen, könnte ein altes Problem gelöst werden, das sich durch das Standardmodell der Kosmologie stellt: Dieses besagt, dass es weit mehr winzige Galaxien rund um die Milchstrasse geben muss, als bisher tatsächlich beobachtet worden sind.