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KECK
Das Geheimnis der fehlenden Zwerggalaxien
von Stefan Deiters
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21. September 2007

Astronomen könnten mit Hilfe des Keck-Teleskops auf Hawaii das Problem der fehlenden Zwerggalaxien gelöst haben. Die Astronomen studierten dazu eine Gruppe von winzigen, lichtschwachen Galaxien, die zu 99 Prozent aus Dunkelmaterie bestehen. Die Beobachtungen lassen vermuten, dass es in der Umgebung der Milchstraße noch mehrere Hundert komplett dunkle Mini-Galaxien gibt.

Zwerggalaxien

Übersicht über die Zwerggalaxien der Milchstraße. Bild: M. Geha [Großansicht]

"Es sieht ganz danach aus, als dass die kleinen und extrem leuchtschwachen Galaxien sehr viel häufiger sind, als wir ursprünglich angenommen haben", erläutert Marla Geha vom Herzberg Institute of Astrophysics in Canada. "Wenn Sie mich im vergangenen Jahr gefragt hätten, ob es Galaxien gibt, die so klein und dunkel sind, hätte ich 'Nein' geantwortet. Ich bin wirklich erstaunt, dass so viele, dieser von Dunkelmaterie dominierten Galaxien entdeckt wurden."

Das Problem der fehlenden Zwerggalaxien hängt mit einer Vorherhersage eines Modells zusammen, das die Astronomen als "Kaltes Dunkelmaterie Modell" bezeichnen. Es beschreibt wie sich im Universum Strukturen gebildet und entwickelt haben. Eine Kernaussage ist, dass große Galaxien wie die Milchstraße von einem Schwarm von Hunderten kleinerer sogenannter Zwerggalaxien umgeben sein sollten. Bis vor kurzem hatte man davon allerdings erst gerade einmal elf entdeckt.

Um diese Unstimmigkeit zu erklären, verwiesen Astronomen auf die Möglichkeit, dass viele dieser Zwerggalaxien keinerlei Sterne enthalten und fast ausschließlich aus Dunkelmaterie bestehen könnten. Dunkelmaterie ist ein Stoff, den Astronomen bislang nur durch seine Auswirkungen kennen: So hat man beispielsweise beobachtet, dass das Rotationsverhalten von Galaxien nur erklärt werden kann, wenn man annimmt, dass sie über deutlich mehr Masse verfügen als man als Sterne sehen kann. Die fehlende Materie nennen die Wissenschaftler "Dunkelmaterie", wissen aber bis heute nicht, um was es sich dabei handelt.

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Die Theorie, dass die fehlenden Zwerggalaxien nahezu komplett aus Dunkelmaterie bestehen, ist zwar sehr elegant, hatte aber einen Haken: Da Dunkelmaterie eben dunkel ist, kann man diese Galaxien auch nicht ohne weiteres entdecken und somit die Theorie verifizieren. Jetzt haben aber die Astronomen Josh Simon vom California Institute of Technology und Geha acht unlängst im Sloan Digital Sky Survey entdeckte Zwerggalaxien mit dem DEIMOS-Spektrographen am Keck II-Teleskop beobachtet. So gelang es den Forschern die Massen der Galaxien recht genau zu bestimmen - zu ihrer Überraschung waren diese mehr als 10.000 Mal kleiner als die unserer Milchstraße.

"Die Entstehung so kleiner Galaxien ist theoretisch noch nicht wirklich verstanden", erläutert Simon die Bedeutung der Entdeckung. "Es ist schwer zu erklären, wie Sterne innerhalb dieser winzigen Galaxien entstehen können und daher ist auch sehr schwer vorherzusagen, wie viele dieser Zwerge wir in der Nähe der Milchstraße finden sollten. Unsere Arbeit macht aber die Lücke zwischen der durch das Kalte Dunkelmaterie-Modell vorhergesagten und der tatsächlich beobachteten Anzahl deutlich kleiner, da wir nun mehr Zwerggalaxien der Milchstraße kennen. Zudem lernen wir etwas über ihre Eigenschaften. Wir wissen nun, dass Zwerggalaxien sogar kleiner sein können, als wir es anfangs für möglich gehalten hätten."

Durch wiederholte Messungen haben die beiden Astronomen die Geschwindigkeit der 814 Sterne bestimmt, die sie in den acht Zwerggalaxien gefunden hatten. Sie konnten zeigen, dass sich diese deutlich langsamer bewegen als Sterne in jeder anderen Galaxien - mit nur vier bis sieben Kilometern pro Sekunde. Unsere Sonne bewegt sich um das Zentrum der Milchstraße mit einer Geschwindigkeit von etwa 220 Kilometern pro Sekunde. Geha und Simon bestimmten für jede der acht Zwerggalaxien die Geschwindigkeit von zwischen 18 und 214 Sternen - das sind mehr als drei Mal mehr Sterne als in vorherigen Arbeiten vermessen wurden. 

"Das ist schon eine sehr beeindruckende Arbeit", urteilt auch der Direktor des W. M. Keck Observatory Taft Armandroff, der sich auch mit Zwerggalaxien beschäftigt. "Sie macht eindrucksvoll deutlich, wie man auch von der Erde aus die Bahnen so entfernter Sterne bestimmen kann. Ich denke, dass wir mit Hilfe von DEIMOS bald auch etwas über die chemische Zusammensetzung der Sterne erfahren werden und damit besser verstehen können, wie Sternentstehung in solchen winzigen Galaxien funktioniert."

Die neuen Beobachtungen erlauben es den Astronomen auch, das "Kalte Dunkelmaterie-Modell" so anzupassen, dass es mit den Beobachtungen übereinstimmt: Danach müssen die ersten Sterne, die im Universum entstanden sind, eine so große Menge an ultravioletter Strahlung abgegeben haben, dass sie in kürzester Zeit sämtliches Wasserstoffgas aus den sich gerade bildenden Zwerggalaxien hinaus geblasen haben. So konnten in ihnen keine Sterne entstehen und sie blieben leuchtschwach oder gar vollkommen unsichtbar. Berücksichtigt man diesen Effekt, stimmt die Zahl der erwarteten und beobachteten Galaxien überein.

"Eine der Folgen unseres Modells ist, dass es in der Umgebung der Milchstraße einige Hundert komplett dunkle Galaxien geben sollte", so Geha. "Wenn das Kalte Dunkelmaterie-Modell stimmt, müssen sie da draußen irgendwo sein und die nächste Herausforderung für die Astronomen ist es, sie zu finden."

Der Sloan Digital Sky Survey umfasst nur etwa 25 Prozent des Himmels. Würde man den übrigen Bereich absuchen, sollten sich noch bis zu 50 weitere dieser von Dunkelmaterie dominierten Zwerggalaxien finden lassen.   

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