Um die Milchstraße herum gibt es buchstäblich Dutzende von Zwerggalaxien, die weiterhin langsam von unserer aufgenommen werden. Diese Galaxien sind für Astronomen von großem Interesse, weil sie uns viel über die kosmische Entwicklung lehren können, beispielsweise wie kleinere Galaxien im Laufe der Zeit zu größeren Strukturen verschmolzen. Da sie als Relikte der allerersten Galaxien im Universum gelten, sind sie auch „galaktischen Fossilien“ ähnlich.
Vor kurzem beobachtete ein Team von Astrophysikern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine der ältesten dieser Galaxien (Tucana II) und bemerkte etwas Unerwartetes. Am Rande der Galaxie beobachteten sie Sterne in einer Konfiguration, die darauf hindeutet, dass Tucana II eine erweiterter Halo aus Dunkler Materie . Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die ältesten Galaxien des Universums mehr Dunkle Materie enthielten als bisher angenommen.
Die Forschung wurde von einem Physikstudenten geleitet Anirudh Chiti von MITs Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung , und Anna Frebel – der Silverman Family Career Development Associate Professor für Physik am MIT. Zu ihnen gesellten sich mehrere Kollegen aus Kavli sowie die Observatorien der Carnegie Institution of Washington , Anus Forschungsschule für Astronomie und Astrophysik , und UC Berkeley.
Ein Ausschnitt des virtuellen Universums mit einem Durchmesser von einer Milliarde Lichtjahren, der zeigt, wie dunkle Materie im Raum verteilt ist, wobei dunkle Materie Halos die gelben Klumpen sind, die durch dunkle Filamente miteinander verbunden sind. Bild: Joachim Stadel, UZH
Um es zusammenzufassen, Dunkle Materie bezieht sich auf die unsichtbare Masse, über die Astronomen in den 1960er Jahren zu theoretisieren begannen. Es macht 85 % der Materie im Universum und etwa ein Viertel seiner gesamten Masse-Energie-Dichte aus. Während alle Versuche, ein Kandidatenteilchen für Dunkle Materie zu finden, (bisher) nicht erfolgreich waren, können Wissenschaftler seinen Einfluss auf großräumige Strukturen (wie Galaxien und Galaxienhaufen) beobachten.
Ein perfektes Beispiel dafür ist Halos der Dunklen Materie , die sich auf eine lokale Massenkonzentration bezieht, die Galaxien, Gruppen und Galaxienhaufen durchdringt und umgibt und sie zusammenhält. Das Vorhandensein dieser Halos wird durch die Beobachtung der Rotationskurven von Galaxien und der Bewegungen von Galaxien in Gruppen und Haufen bestimmt, was Astronomen nicht mit der Menge an Materie, die sie sehen können (auch bekannt als „leuchtende Materie“), entsprachen.
Tucana II ist eine ultradünne Zwerggalaxie, die sich etwa 163.000 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des befindet Tucana-Konstellation . Aufgrund des Alters seiner Sterne (alles alte und sehr schwache rote Sterne) und seiner geringen Metallizität ist Tucana II eine der primitivsten bekannten Zwerggalaxien. Zuvor hatten Astronomen um ihren Kern herum Sterne mit einem so geringen Metallgehalt identifiziert, dass die Galaxie als die älteste der bekannten ultradünnen Zwerggalaxien galt.
Für ihre Studie beobachteten Chiti, Frebel und ihr Team Tuscana II, um zu sehen, ob diese alte Galaxie noch ältere Sterne enthalten könnte – deren Studie könnte Einblicke in die Entstehung der ersten Galaxien des Universums geben. Es wird geschätzt, dass diese vor etwa 13 Milliarden Jahren entstanden sind, nur 800 Millionen Jahre nach dem Urknall. Um dies zu testen, erhielten sie Daten von der SkyMapper-Teleskop , ein optisches bodengestütztes Teleskop in Australien.
Die Umgebung der ultradünnen Zwerggalaxie Tucana II, aufgenommen mit dem SkyMapper-Teleskop. Credits: Anirudh Chiti, MIT
Anschließend wendeten sie einen Bildfilter an, um besonders lichtschwache, metallarme Sterne zu erkennen, und kombinierten ihre Beobachtungen mit einem (von Chiti entwickelten) Algorithmus, um sie zu identifizieren. Zusätzlich zu den zuvor identifizierten Sternen nahe dem Kern beobachteten sie neun neue am Rande von Tucana II. Sie stellten auch fest, dass sie sich in einer Konfiguration befanden, die darauf hindeutete, dass sie von der Anziehungskraft der Galaxie erfasst wurden.
Dies war überraschend, wenn man bedenkt, wie weit sie vom Kern entfernt waren und darauf hindeuten, dass Tucana II einen ausgedehnten Halo aus Dunkler Materie hat, der drei- bis fünfmal massereicher ist als bisher angenommen. „Tucana II hat viel mehr Masse als wir dachten, um diese so weit entfernten Sterne zu binden“, sagt Chiti. „Das bedeutet, dass andere Reliktgalaxien wahrscheinlich auch solche ausgedehnten Halos haben.“
Chiti und Frebel verfolgten diese Ergebnisse mit Daten, die zuvor von den Magellan-Teleskopen am Las Campanas-Observatorium in Chile. Diese Beobachtungen legten nahe, dass die neun neuen Sterne noch metallärmer (älter) waren als die im Kern. Diese Ergebnisse sind der erste Beweis dafür, dass ultraschwache Zwerggalaxien ausgedehnte Halos haben und signifikante Auswirkungen auf kosmologische Theorien haben könnten. Wie Frebel erklärte:
„Das bedeutet wahrscheinlich auch, dass sich die frühesten Galaxien in viel größeren Halos aus Dunkler Materie gebildet haben als bisher angenommen. Wir dachten, dass die ersten Galaxien die kleinsten und schwächsten Galaxien waren. Aber vielleicht waren sie tatsächlich um ein Vielfaches größer als wir dachten und gar nicht so winzig.“
Illustration, wie der Nachthimmel in Milliarden von Jahren aussehen könnte, wenn die Andromeda-Galaxie langsam der Verschmelzung mit der Milchstraße näher kommt. Bildnachweis: NASA/ESA/Z. Levay und R. van der Marel, STScI/T. Hallas; und A. Mellinger
Darüber hinaus könnte das Ungleichgewicht zwischen alten Sternen in der Nähe des Kerns und noch älteren Sternen in den Außenbezirken ein Hinweis darauf sein, dass Tucana II möglicherweise das Produkt einer der ersten Verschmelzungen im Universum war. Dieser Prozess des „galaktischen Kannibalismus“ findet heute im gesamten Universum ständig statt und wird in etwa 3,75 Milliarden Jahre zwischen den Milchstraße und die benachbarte Andromeda-Galaxie .
Bisher war jedoch unklar, ob frühe Galaxien auf ähnliche Weise verschmolzen sind oder nicht. In dieser Hinsicht behauptet Frebel, dass das, was sie beobachtet haben, eine weitere Premiere sein könnte:
„Wir sehen vielleicht die ersten Anzeichen von galaktischem Kannibalismus. Eine Galaxie hat möglicherweise einen ihrer etwas kleineren, primitiveren Nachbarn gefressen, der dann alle seine Sterne in die Außenbezirke verstreut hat. Tucana II wird irgendwann von der Milchstraße gefressen, keine Gnade. Und es stellt sich heraus, dass diese alte Galaxie ihre eigene kannibalistische Geschichte haben könnte. Es gibt wahrscheinlich noch viele weitere Systeme, vielleicht alle, bei denen diese Sterne in ihren Außenbezirken blinken.“
In naher Zukunft plant das Team, denselben Ansatz zu verwenden, um andere ultraschwache Zwerggalaxien rund um die Milchstraße zu beobachten. Wenn sie viele andere Beispiele sehr alter Sterne finden, die nahe den Rändern von Zwerggalaxien kreisen, wird dies darauf hindeuten, dass Dunkle Materie eine besonders wichtige Rolle bei der Verschmelzung alter Galaxien und ihrer nachfolgenden Entwicklung gespielt hat.
Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, “ Chemische Fülle neuer Mitgliedssterne in der Tucana-II-Zwerggalaxie ”, erschien kürzlich inDas Astrophysikalische Journal. Die Forschung wurde unter anderem durch die Unterstützung der NASA und der National Science Foundation (NSF) ermöglicht.
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