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ELLIPTISCHE GALAXIEN
Neue Erklärung für stellare Geisterfahrer
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
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19. März 2015

In manchen elliptischen Galaxien sind Astronomen auf Regionen gestoßen, in denen Sterne gerade anders herum ums galaktische Zentrum umlaufen als im Rest der Galaxie. Bislang wurde dies durch eine spezielle Konstellation während einer vorausgegangen Galaxienkollision erklärt. Nun stieß eine Doktorandin auf ein weiteres Erklärungsmodell.

Bewegung

In dieser (simulierten) Aufnahme eines Integralfeld-Spektrografen stehen Farben für Bewegung in Beobachtungsrichtung: von blau (schnellste Bewegungen auf uns zu) bis rot (schnellste Bewegungen von uns weg). Der Unterschied zwischen den Bewegungen im Innen- und Außenbereich ist deutlich sichtbar. So kam Tsatsi darauf, dass bei der simulierten Verschmelzung eine gegenläufige Zentralregion entstanden war. Bild: A. Tsatsi / MPIA  [Großansicht]

In elliptischen Galaxien kann es ungewöhnliche Sternbewegungen geben: Während die Sterne in den äußeren Regionen sämtlich in eine Richtung rotieren, kann die gemeinsame Umlaufrichtung der Sterne in der Zentralregion eine ganz andere sein.

Elliptische Galaxien entstehen durch die Kollision und Verschmelzung von zwei oder mehr Scheibengalaxien. Bisherige Erklärungsversuche hatten angenommen, dass gegenläufige Zentralregionen entstehen, wenn eine der Vorläufergalaxien eine besonders massereiche Zentralregion besitzt, deren Umlaufsinn relativ zur Umlaufbahn der Vorläufergalaxien umeinander gerade die richtige Ausrichtung besitzt.

Dieses Erklärungsmodell sagt allerdings eine geringere Anzahl an gegenläufigen Zentralregionen voraus, als tatsächlich beobachtet werden. Das war die Ausgangssituation, als Athanasia Tsatsi ihre Forschung als Doktorandin am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg begann und dazu Computersimulationen von Galaxienzusammenstößen auswertete. Tsatsis Ziel war es eigentlich, herauszufinden, wie die entstehenden Galaxien durch verschiedene Arten astronomischer Beobachtungsinstrumente aussehen würden.

Stattdessen machte sie beim Blick durch solch ein "virtuelles Beobachtungsinstrument" eine unerwartete Entdeckung: Die Galaxie, die bei der simulierten Verschmelzung entstand, wies eine gegenläufige Zentralregion auf. Die Vorläufergalaxien jedoch wiesen nicht die spezielle Orientierung auf, die dem herkömmlichen Erklärungsversuch zufolge Voraussetzung für die Entstehung der Gegenläufigkeit sein sollte.

Das Ergebnis der simulierten Verschmelzung passte zu dem, was aus Beobachtungen bereits über solche gegenläufigen Zentralregionen bekannt war. Die resultierende elliptische Galaxie war mit 130 Milliarden Sonnenmassen eine der massereicheren Vertreterinnen ihrer Gattung; gerade bei massereichen elliptischen Galaxien sind gegenläufige Zentralregionen besonders häufig.

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Die Gegenläufigkeit bleibt in der Simulation für rund 2 Milliarden Jahre nach der Verschmelzung nachweisbar; langfristig genug, dass man erwarten kann, bei tatsächlichen Beobachtungen vieler Galaxien Beispiele dafür zu finden. Nicht zuletzt handelt es sich in der Simulation bei den Gegenläufern um ältere Sterne, die bereits lange vor der Verschmelzung entstanden waren; auch das entspricht den tatsächlichen Beobachtungen.

Bei ihrer Literaturrecherche fand Tsatsi einen Präzedenzfall für das Phänomen, das sie an den verschmelzenden Galaxien beobachtet hatte. Was dort geschieht, hängt eng mit einem Problem zusammen, mit dem sich der russische Mathematiker Iwan Wsevolodowitsch Mestschersky beschäftigt hatte: Er untersuchte Punktteilchen, deren Masse sich mit der Zeit verändert und die sich unter ihrem wechselseitigen Schwerkrafteinfluss bewegen. Durch die Masseänderung kommen dabei zusätzliche Kräfte ins Spiel, die auch Mestschersky-Kräfte genannt werden.

Das bekannteste Beispiel für solche Kräfte tritt beim Raketenantrieb auf - die Rakete stößt aus ihrer Düse heiße Gase aus; dadurch wirkt auf die Rakete eine Kraft in Gegenrichtung und die Rakete wird beschleunigt. Das liefert die Erklärung dafür, dass selbst bei Galaxienverschmelzungen mit einheitlicher Drehrichtung gegenläufige Zentralregionen entstehen können: der Massenverlust der beiden Galaxien hat dieselbe Wirkung wie ein gigantischer Raketenantrieb und kann stark genug sein, um die Umlaufrichtung der Sterne umzukehren, die sich am Ende in der Zentralregion der neu entstandenen Galaxie wiederfinden. Diese Art der Erzeugung gegenläufiger Zentralregionen nennt Tsatsi den Mestschersky-Mechanismus.

Tsatsis Entdeckung betrifft zunächst einmal einen Einzelfall. Aber das genügt für den Nachweis, dass gegenrotierende Zentralregionen auf diese Weise entstehen können. Als nächstes müssen die Astronomen herausfinden, wie häufig Entstehungsprozesse dieser Art sind - indem sie Galaxienverschmelzungen mit den unterschiedlichsten Anfangsbedingungen untersuchen. Wenn solche systematischen Tests zeigen, dass der Mestschersky-Mechanismus für die Entstehung gegenläufiger Zentralregionen häufig genug in Erscheinung tritt, könnte dies die Beobachtete Häufigkeit des Phänomens erklären.

Aber bereits jetzt hat die Entdeckung von Tsatsi den Blickwinkel der Astronomen auf gegenläufige Zentralregionen und galaktische Verschmelzungen verändert: Spezielle Konfigurationen der Drehsinne und der gegenseitigen Umlaufbahn verschmelzender Galaxien sind nicht die einzige Möglichkeit, Gegenläufigkeit zu erzeugen. "Galaktische Raketenantriebe" leisten ebenso gute Dienste.

Über ihrer Ergebnisse berichten Tsatsi und ihre Kollegen in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters erscheinen wird.

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siehe auch
Simulationen: Realistische Galaxien im Computer - 5. Januar 2015
Simulation: Galaxien wie im wirklichen Universum - 8. Mai 2014
Kosmologie: Die Entstehungsgeschichte von 20 Millionen Galaxien - 2. Juni 2005
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für Astronomie
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