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Galaxienentwicklung: Fossiliensuche im All

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Galaktische Archäologie, so nennt Eva Grebel ihr Forschungsgebiet. Die Astronomin vom Heidelberger Zentrum für Astronomie ist auf Spurensuche, doch ihre "Ausgrabungen" finden nicht auf der Erde statt, sondern erstrecken sich über die gesamte Milchstraße und darüber hinaus. Auf der diesjährigen Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, die vom 15. bis 19. März in Bonn stattfand, gewährte sie Einblicke ihre ungewöhnliche Arbeit.

Anders als ihre irdischen Archäologenkollegen interessiert sich Grebel nicht nur für die letzten paar tausend Jahre, auch nicht für die ersten Steinwerkzeuge, die von Vormenschen vor über 2 Millionen Jahren hinterlassen wurden, sondern für fast den gesamten Zeitraum seit dem Urknall. In diesen rund 13 Milliarden Jahren entstanden die größten Strukturen, die das Universum aufzuweisen hat: Galaxien und Galaxienhaufen. Und darum geht es ihr weder um Tonscherben noch um Knochen: "Unsere Fossilien sind die Sterne“, sagt die galaktische Archäologin.

Die Großen fressen die Kleinen | Am anschaulichsten werden die Strukturbildungsprozesse im Universum durch ihre Visualisierung im Rahmen von Simulationen, wie sie etwa am National Center for Supercomputer Applications im US-Bundesstaat Illinois durchgeführt werden. In diesem Beispiel (hier kann die Simulation als Video heruntergeladen werden), das eine Raumregion mit einer Seitenlänge von 14 Millionen Lichtjahren zeigt, bildet sich – ähnlich den Vorgängen in der Lokalen Gruppe – ausgehend von einer gleichmäßigen Materieverteilung im Verlauf von Milliarden von Jahren eine Gruppe von Galaxien. Auch die beiden größten Objekte, die sich am Ende der Simulation gebildet haben, werden in etwa einer Milliarde miteinander verschmelzen.
"Die Kosmologen glauben, die Entstehung der großen Strukturen im Universum inzwischen recht gut verstanden zu haben", erklärt sie, "aber können wir die Spuren dieser Entwicklung heute noch entdecken?" Dem Modell der hierarchischen Evolution zu Folge bildeten sich schon bald nach dem Urknall erste Verdichtungen in der anfangs fast völlig gleichmäßig verteilten Materie. Auslöser war die Dunkle Materie: Dort, wo sie sich sammelte, verklumpte auch die normale und für uns heute sichtbare Masse – es bildeten sich die ersten Sterne und Galaxien. Und da sich die Verklumpungen gravitativ anzogen, bildeten sich im Laufe der Jahrmilliarden immer größere Strukturen bis hin zu großen Spiralgalaxien wie unsere Milchstraße; ein Prozess, der auch heute noch im Gange sein sollte.

Wie ein Bienenschwarm um seinen Stock

Doch eine Theorie muss sich stets an der Wirklichkeit messen lassen. Der Schlüssel dazu liegt in der Untersuchung der Form der Galaxien, ihrer Verteilung im Raum, ihrer Bewegung relativ zueinander und der chemischen Zusammensetzung ihrer Sterne. Denn diese sind der sichtbare Teil der Materiewolken, während wir die Dunkle Materie selbst (noch) nicht nachweisen können. Grebels archäologisches Grabungsfeld ist die Lokale Gruppe. Dieser Galaxienhaufen enthält neben unserer Milchstraße zwei weitere große Spiralgalaxien, außerdem sind in unserer unmittelbaren kosmischen Umgebung etwa sechzig Zwerggalaxien bekannt. Im Vergleich zu anderen Haufen besitzt die Lokale Gruppe damit zwar nur sehr wenige Mitglieder. "Doch die Nähe zu diesen Objekten ermöglicht eine detaillierte Archäologie. Hier können wir die einzelnen Sterne der Galaxien untersuchen und nach Spuren ihrer vergangenen Entwicklung suchen."

Wie ein Bienenschwarm seinen Stock umkreisen die runden Zwerggalaxien die wenigen massereichen Spiralgalaxien der Lokalen Gruppe. Viele der Zwerge wurden zwar erst in jüngerer Zeit entdeckt; nun aber seien sie, so Grebel, ideale Testobjekte für die Überprüfung der kosmologischen Theorien, denn sie gelten als Überbleibsel der kosmischen Bausteine, aus denen die großen Galaxien entstanden sind. Überdies sollten sie anzeigen, wo sich die Dunkle Materie in den Galaxienhaufen befindet. Doch ausgerechnet hier zeigen sich Abweichungen von der Theorie: Man beobachtet nur halb so viele Zwerge wie erwartet – ein Phänomen, das auch als das Problem der fehlenden Satellitengalaxien (missing satellite problem) bekannt ist. Seine Lösung steht indessen noch aus: Möglicherweise hat man nur noch nicht tief genug "gegraben", denn viele der Zwerggalaxien sind so klein, dass sie selbst von großen Teleskopen leicht übersehen werden. Oder aber sie existieren tatsächlich nicht. Dann hätte sich entgegen den Erwartungen nicht in jedem Dunkle-Materie-Klumpen eine Zwerggalaxie gebildet.

Die Millennium-Simulation | Zu den berühmtesten Simulationen der Galaxienentwicklung zählt die Millennium-Simulation aus dem Jahr 2005 (Volker Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik berichtete darüber in unserer Schwesterzeitschrift Sterne und Weltraum). Kürzlich veröffentlichte Springel, der mittlerweile in Heidelberg lehrt, gemeinsam mit Kollegen auch die Ergebnisse der Millennium-II-Simulation. Und schon 1999 hatte Spektrum-Chefredakteur Reinhard Breuer über die Anfänge des Einsatzes von Supercomputern in dieser Disziplin berichtet (Das simulierte Universum, kostenfrei).
Neben Eva Grebel sprach auch Peter Kalberla vom Bonner Argelander-Institut für Astronomie über die Verteilung der Materie in der Umgebung der Milchstraße. Sein Ziel ist es, aus der mit Radioteleskopen gemessenen Verteilung von Wasserstoffgas in der Milchstraße Rückschlüsse auf das Gravitationspotential der Milchstraße zu ziehen. Der Halo aus sichtbarer und Dunkler Materie, der unsere Galaxie umgibt, ist diesen Messungen zu Folge nicht gleichmäßig rund, sondern weist in der galaktischen Ebene eine ringartige Substruktur ähnlich der Form eines aufgeblasenen Reifens auf. Dieser Ring sei möglicherweise ein Überbleibsel von galaktischem Kannibalismus. Denn offenbar hat sich die Milchstraße immer wieder kleinere Galaxien einverleibt, so wie es die Theorie vorhersagt. Dafür sprechen auch die erst vor wenigen Jahren entdeckten, langgezogenen Sternströme, die wie gigantische Schleifen den Milchstraßenhalo durchziehen und die die Astronomen für Reste dieser "verspeisten" Galaxien halten (siehe Die Schatten galaktischer Welten, Artikel und Interview in SdW 9/2007).

Die Funde der Galaxienarchäologen scheinen das hierarchische Evolutionsmodell des Universums also im Wesentlichen zu bestätigen. Zudem zeigen aufwändige Computersimulationen, dass es die beobachtete Verteilung und Größe der Galaxien gut reproduziert. Offenbar gilt auch bei Galaxien das Prinzip: Die Großen fressen die Kleinen – und das schon seit 13 Milliarden Jahren. Ohne Dunkle Materie wäre das alles allerdings nicht möglich, ihre Anwesenheit setzen alle Modelle voraus. Damit stellt sich unweigerlich die Frage nach der Natur dieses mysteriösen Stoffs. Besteht er tatsächlich aus noch nicht entdeckten, exotischen Elementarteilchen? Kalberlas Antwort ist ausweichend: Als Astronom könne er zwar die Auswirkungen der Dunklen Materie im Weltall beobachten und beschreiben, ihre Natur lasse sich aus diesen Ergebnissen alleine jedoch nicht bestimmen – hier sind die Elementarteilchenphysiker gefragt.

Der Autor Jan Hattenbach bloggt auch bei den KosmoLogs. Hier berichtete er zuletzt ebenfalls über seinen jüngsten Besuch der DPG-Frühjahrstagung.

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