Astronomen können anhand der Form und Größe ihrer Scheibe vorhersagen, wann die Sternentstehung einer Galaxie endet
Das Hauptgeschäft einer Galaxie ist die Sternentstehung. Und wenn sie jung sind, beschäftigen sie sich wie die Jugend überall damit. Aber Galaxien altern, entwickeln sich und erfahren eine Verlangsamung ihrer Sternentstehungsrate. Irgendwann hören Galaxien ganz auf, neue Sterne zu bilden, und Astronomen nennen das Auslöschen. Sie untersuchen das Abschrecken seit Jahrzehnten, doch vieles darüber bleibt ein Rätsel.
Eine neue Studie auf der Grundlage der IllustrisTNG Simulationen haben einen Zusammenhang zwischen dem Löschen einer Galaxie und ihrer Sterngröße gefunden.
Vor etwa 10 Milliarden Jahren befand sich das Universum in dem, was Kosmologen den „kosmischen Mittag“ nennen. Das war der Höhepunkt der Sternentstehung in Galaxien. Wie und warum Galaxien seitdem aufhören, Sterne zu bilden, ist mysteriös.
In einem neuen Papier mit dem Titel „ MOSEL und IllustrisTNG: Massive Extended Galaxies bei z = 2 Quench Later als normal size Galaxies “, wollte ein Forscherteam das Quenching untersuchen. Hauptautor der Studie ist Dr. Anshu Gupta vom australischen ARC Center of Excellence in All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D). Das Papier wird im Astrophysical Journal veröffentlicht.
„Es gibt eine Periode im Leben des Universums, die als ‚kosmischer Mittag‘ bekannt ist und vor etwa 10 Milliarden Jahren stattfand“, sagte Dr. Gupta in a Pressemitteilung . „Das war, als die Sternentstehung in massereichen Galaxien ihren Höhepunkt erreichte. Danach wurde das Gas in den meisten dieser Galaxien heiß – teilweise wegen der Schwarzen Löcher in ihrer Mitte – und sie hörten auf, Sterne zu bilden.“
Bildquelle: Gupta et al., 2021.
Am kosmischen Mittag entwickelten Galaxien auch die Eigenschaften, die wir heute sehen: regelmäßig rotierende Scheiben und Ausbuchtungen zum Beispiel. Zu diesem Zeitpunkt begann auch eine Population toter Galaxien oder erloschener Galaxien aufzutauchen. Etwas war los.
Der kosmische Mittag war nicht nur eine Zeit der Spitzensternbildung. Es war auch eine Periode der höchsten Akkretion von Schwarzen Löchern. Als die Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien massereicher wurden, zogen sie das Gas der Galaxie zu sich heran, komprimierten und erhitzten das Gas. Aber Sterne brauchen kaltes Gas, um sich zu bilden; heißes Gas weigert sich zu verschmelzen und zu einem Stern zu kollabieren.
Aber dieser Kompressions- und Erwärmungseffekt dominierte nicht alle Galaxien. Für eine aufgeblähte, weniger dichte Galaxie mit mehr Raum zwischen den Sternen hatten die Schwarzen Löcher nicht den gleichen Effekt. Sie konnten nicht genug Gas erreichen, um die Sternentstehung zu unterdrücken.
„In wirklich, wirklich ausgedehnten Galaxien haben wir jedoch festgestellt, dass sich die Dinge nicht so stark erwärmten und die Schwarzen Löcher keinen so großen Einfluss ausübten, sodass über einen längeren Zeitraum Sterne entstanden.“
Das Forscherteam konzentrierte sich auf die sogenannte galaktische Scheibe. Die galaktische Scheibe ist eine abgeflachte kreisförmige Region, die den Kern umgibt und Sterne, Gas und Staub enthält. Wenn diese Scheibe ausgebreitet statt kompakt ist, bleibt die Sternentstehung bestehen und das Löschen wird verzögert.
„Wo die Sterne in der Scheibe weit verteilt sind – man könnte es ‚geschwollen‘ nennen – bleibt das Gas kühler, verdichtet sich also weiter unter der Schwerkraft und bildet neue Sterne“, sagte Dr. Gupta. „In Galaxien mit mehr Compact Disks erwärmt sich das Gas recht schnell und ist bald zu energiereich, um sich zusammenzumischen, sodass die Sternentstehung kurz nach dem kosmischen Mittag endet. Geschwollene Scheiben halten viel länger, sagen wir bis hin zum kosmischen Nachmittagstee.“
Diese Zahl aus der Studie hilft, die Ergebnisse zu erklären. Links sind normale massereiche Galaxien, rechts die ausgedehnten oder „geschwollenen“ Galaxien in der TNG-Simulation. Wie in den oberen Balken angegeben, zeigten normalmassereiche Galaxien bis etwa z~2,5 keine Änderung ihrer mittleren Sterngröße. Aber ausgedehnte massereiche Galaxien verzeichneten eine stetige Zunahme ihrer Größe zwischen z~2 bis 4. Bildquelle: Gupta et al., 2021.
Ihre Studie ergab, dass bei z=1 nur 36% der ausgedehnten massereichen Galaxien gelöscht wurden, während 69% der massereicheren Galaxien normaler Größe gelöscht wurden. Bei z = 2 bis 4 fanden sie heraus, dass „… massereiche Galaxien von normaler Größe ihre zentrale Sternmasse aufbauen, ohne dass ihre Sterngröße signifikant zunimmt.“ Aber für ausgedehnte massereiche Galaxien verdoppelte sich ihre Sternmasse fast.
Diese Forschung stützte sich sowohl auf Beobachtungen als auch auf Simulationen.
Die IllustrisTNG-Simulationen waren eine ehrgeizige Anstrengung, an der hauptsächlich deutsche und amerikanische Wissenschaftler beteiligt waren. Die IllustrisTNG-Website beschreibt die Bemühungen am besten: „Jede Simulation in IllustrisTNG entwickelt einen großen Teil eines Scheinuniversums von kurz nach dem Urknall bis zum heutigen Tag unter Berücksichtigung einer Vielzahl von physikalischen Prozessen, die die Galaxienbildung vorantreiben. Die Simulationen können verwendet werden, um eine breite Palette von Themen zu untersuchen, die sich mit der Entwicklung des Universums – und der Galaxien darin – im Laufe der Zeit befassen.“
Was bedeuten diese Ergebnisse? „Die Ergebnisse bedeuten, dass wir zum ersten Mal einen Zusammenhang zwischen der Festplattengröße und der Sternentstehung herstellen konnten. Jetzt können Astronomen jede Galaxie im Universum betrachten und genau vorhersagen, wann sie aufhört, Sterne zu bilden – kurz nach dem Mittagessen oder später am kosmischen Nachmittag.“
Die Milchstraße ist die Heimat der Menschheit. Wo passt unsere Galaxie in all das hinein? Wie sich herausstellt, ist die Milchstraße ein Spätzünder. Es war hier am kosmischen Mittag, aber es war immer noch sehr klein und entschieden nicht massiv. Zu diesem Zeitpunkt hatte er nur ein Zehntel der heutigen Sternenmasse. Es ist mit der Zeit immer massiver geworden, dank Fusionen . Jetzt ist es eine riesige Galaxie, aber sie macht immer noch Sterne.
Stehend neben der Milchstraße. Bildnachweis: P. Horálek/ESO
Wo stehen wir jetzt also in der kosmisch-galaktischen Tageszeituhr? „Der kosmische Mittag ist lange her“, sagte Dr. Gupta. „Ich würde sagen, dass das Universum inzwischen den kosmischen Abend erreicht hat. Es ist noch nicht Nacht, aber die Dinge haben sich definitiv verlangsamt.“
Das Team hinter dieser Studie integrierte die IllustrisTNG-Simulationen mit Beobachtungen aus dem Multi-Object Spectroscopic Emission Line (MOSEL) Survey. MOSEL stützte sich auf das Hubble-Weltraumteleskop und das W.M. Keck-Observatorium. Das Team umfasste Wissenschaftler aus Großbritannien, Deutschland, Mexiko, den USA und Australien.