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Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23. Mai 2018. Den Umlaufbahnen der Sterne in den massereichsten Galaxien widmet sich eine neu erschienene Studie, deren Ergebnisse überraschen: während sich die eine Hälfte der untersuchten sehr massereichen Galaxien wie erwartet um ihre kleine Achse dreht, rotiert die andere Hälfte um ihre große Achse. Diese Art der Rotation ist wahrscheinlich das Ergebnis einer speziellen Form von Galaxienkollisionen, bei der gasfreie Galaxien ähnlicher Masse verschmelzen. Dies bedeutet, dass das Wachstum der massereichsten und größten Galaxien im Universum von diesen seltenen Ereignissen bestimmt wird.
Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

Karte der gemessenen mittleren Sterngeschwindigkeiten einer Galaxie: Blau bedeutet, dass sich die Sterne in diesem Teil der Galaxie uns nähern und rot von uns wegfliegen. Credit: MUSE / D. Krajnovic

Die Schwergewichte der Galaxienpopulation

Die Vermessung der Sternenbewegungen innerhalb von Galaxien erlaubt Rückschlüsse auf die innere Struktur von Galaxien, ihre dreidimensionale Form und das zugrunde liegende Gravitationspotential.

Um die größten und massereichsten Galaxienzu untersuchen, beobachtete ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Davor Krajnovic vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) besonders helle Galaxien bis zu einer Entfernung von 800 Millionen Lichtjahren. Diese leben in den dichtesten Regionen des Universums – beispielsweise in Galaxienhaufen wie dem Shapley-Superhaufen. Zudem sind sie sehr selten und etwa einhundertmal massereicher als unsere Heimatgalaxie Milchstraße, die bereits eine Sternenmasse von 60 Milliarden Sonnen aufweist. Die massereichsten Galaxien sind außerdem nahezu gasfrei, zeigen keine Sternentstehungsaktivität und ihre Sterne sind mindestens 10 Milliarden Jahre alt.

Leider sind diese Galaxien zu weit von uns entfernt, um einzelne Sterne und deren Bewegung beobachten zu können. Deshalb vermisst man die durchschnittlichen Bewegungen der Sterne in bestimmten Regionen. "Dafür sind Integralfeld-Spektrographen besonders gut geeignet", erklärt Davor Krajnovic. "Wir beobachteten die Galaxien mit MUSE, dem wunderbaren Integralfeld-Spektrographen am Very Large Telescope der ESO auf dem Cerro Paranal in Chile. Massereiche Galaxien können alle möglichen Bewegungsmuster aufweisen – einige ähneln rotierenden Frisbees, andere zeigen keinen spezifischen Rotationssinn. Die Form Letzterer erinnert an runde Bälle oder vielleicht Rugbybälle. Wir haben die massereichsten Galaxien beobachtet und festgestellt, dass sie sich von anderen Galaxien unterscheiden."

Aus Scheiben werden Rugbybälle

Der Großteil der Galaxien mittlerer Masse weist sehr regelmäßige stellare Bewegungsmuster auf, wie man sie auch von Scheibengalaxien wie unserer Milchstraße kennt. Zusätzlich zu der geordneten Bewegung der Sterne gibt es auch einen klar definierten Drehsinn um die kleine Achse des Objekts; der Drehimpuls ist an der kleinen Achse einer abgeflachten Kugel ausgerichtet.

„Wir wussten, dass nur 15 Prozent der Galaxien mittlerer Masse unregelmäßige Bewegungsmuster aufweisen oder sogar generell wenig Rotation zeigen“, sagt Krajnovic. „Für solche Galaxien ist der Gesamtdrehimpulsvektor oft nicht an einer der Hauptachsen der Galaxie ausgerichtet und sie haben eine sphärische Form oder sind leicht langgezogen, ähnlich wie Rugbybälle. Einige von ihnen haben eine interessante Ausrichtung und rotieren um die längste Achse der Galaxie. Bisher waren nur wenige Fälle bekannt."

Die aktuelle Studie erschien in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Darin stellt das internationale Team von Astronomen fest, dass diese galaktischen "rotierenden Rugbybälle" viel häufiger vorkommen als bisher angenommen, sobald man das extreme Ende der Galaxienpopulation betrachtet: die massereichsten Galaxien im Universum.

Das Ergebnis ist bemerkenswert, da es auf ein sehr spezifisches Formationsszenario für die massereichsten Galaxien hinweist. Numerische Simulationen zeigen, dass die Rotation entlang der großen Achse durch die Verschmelzung zweier massereicher Galaxien mit ähnlicher Größe (und Masse) erzeugt werden kann, wenn diese sich auf speziellen Bahnen ereignet: eine Art Frontalzusammenstoß im Weltraum.

Diese Galaxienkollisionen sind gewaltige Ereignisse, die die inneren Strukturen der Vorläufergalaxien vollständig umformen. Die verschmolzene Galaxie ähnelt einem drehenden Rugbyball. Die inneren stellaren Bahnen werden zudem viel komplexer. Dies führt zu einer Kinematik, bei der die einfache geordnete Bewegung durch eine komplexe Strömung um eine der drei Hauptachsen eines Sphäroids ersetzt wird. Die massereichsten Galaxien stehen am Ende der Galaxienbildung und erweisen sich als sehr komplexe Sternsysteme. Die Studie trägt dazu bei, das Geheimnis der Entstehung dieser gewaltigsten galaktischen Systeme zu enthüllen.

 

Die oberen Bilder zeigen Karten der gemessenen mittleren Sterngeschwindigkeiten von zwei Galaxien: Blau bedeutet, dass sich die Sterne in diesem Teil der Galaxie uns nähern und rot von uns wegfliegen. Die Art der Rotation auf der linken Seite ist typisch für die Mehrheit der Galaxien. Die Rotation entlang der großen Achse, wie im Bild rechts, ist ungewöhnlich und trifft nur auf einen kleinen Teil der Galaxien zu. Dieser Anteil nimmt zu, je massereicher die Galaxien werden. Credit: MUSE / D. Krajnovic

 

Publikation

Davor Krajnovic et al. Climbing to the top of the galactic mass ladder: evidence for frequent prolate-like rotation among the most massive galaxies, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2018). MNRAS Publikation

https://arxiv.org/abs/1802.02591

Wissenschaftlicher Kontakt

Dr. Davor Krajnović, 0331-7499 801, dkrajnovic@aip.de

Pressekontakt

Franziska Gräfe, 0331-7499 803, presse@aip.de

 

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.