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Galaxien: Wie Spiralarme in Galaxien entstehen

Neue Computersimulationen zeigen, dass massereiche Molekülwolken in der galaktischen Scheibe Dichteschwankungen hervorrufen, die sich nicht-linear (chaotisch) fortpflanzen und so zur Bildung von dauerhaften Spiralstrukturen führen.
Entstehung von SpiralarmenLaden...

Die meisten Galaxien in unserer kosmischen Nachbarschaft – rund 70 Prozent dieser Sternsysteme – sind Spiralen. Wie etwa die Whirlpool-Galaxie M 51 sind sie faszinierend anzusehen. Doch wie entstehen solche filigranen und gleichzeitig markanten Spiralstrukturen überhaupt? Und: Über welche Zeitskalen bleiben sie bestehen?

Der Antwort dieser Fragen ein wenig näher gekommen ist nun vermutlich die Astrophysikerin Elena D’Onghia mit ihren Kollegen Mark Vogelsberger und Lars Hernquist am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. In hochaufgelösten Mehrkörper-Berechnungen untersuchten sie, wie sich anfänglich lokale Dichteschwankungen, hervorgerufen durch massereiche Molekülwolken, in einer weitaus homogenen, rotierenden Scheibe aus 100 Millionen Sternen fortpflanzen. Diese Unregelmäßigkeiten verstärken sich auf Grund der differenziellen Rotation der Galaxie und es bilden sich so Spiralstrukturen heraus. Das eigentlich Neue an den Simulationen der Wissenschaftler: Sie zeigten, dass sich diese Störungen zeitlich nicht-linear, das heißt chaotisch, entwickeln können. Im Gegenzug dazu war man bisher von einer linearen Entwicklung der Dichteschwankungen ausgegangen. Die Konsequenz davon: Die dabei entstehenden Spiralarme hätten nur ein oder zwei galaktische Jahre Bestand. (Ein galaktisches Jahr ist jener Zeitraum, innerhalb dessen eine Galaxie einmal um sich selbst rotiert.) Die neuen Untersuchungen von D’Onghia und ihren Kollegen belegen aber, dass es gerade die chaotische Natur dieser Entwicklung ist, die den Spiralarmen ihre Stabilität über einen längeren Zeitraum von einigen Milliarden Jahren (rund 100 galaktische Jahre) verleiht.

Eines der beiden herkömmlichen Modelle geht zwar von stochastischen, also zufälligen, lokalen Dichteschwankungen aus, die sich durch gravitative Wechselwirkung innerhalb der Materiescheibe verstärken und so zu Spiralbildung in den Sternsystemen führen. Allerdings sind diese Dichteschwankungen kurzlebig. Dementsprechend sollten auch die Spiralarme nur für relativ kurze Zeit existieren und stets neu entstehen und wieder vergehen.

Das andere Modell erklärt dagegen Spiralarme, die über längere Zeiträume bestehen bleiben. Hierbei sind es Dichtewellen, die sich großräumig in der galaktischen Ebene bewegen und so die Spiralstrukturen hervorrufen. Auch wenn diese Theorie von Beobachtungen gestützt wird, stellen sich hierbei noch zwei Fragen: Wie entstehen diese Dichtewellen auf solchen großen Skalen? Und: Welcher Mechanismus treibt sie auf Dauer an? Auch ließen sich bislang keine langlebigen Spiralstrukturen nach diesem Modell mit numerischen Mehrkörper-Experimenten simulieren.

Die aktuellen Ergebnisse der amerikanischen Wissenschaftler bilden also möglicherweise einen Mittelweg oder stellen gar eine Verbindung zwischen beiden Modellen her.

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  • Quellen
D'Onghia, E., Vogelsberger, M., Hernquist, L.; "Self-Perpetuating Spiral Arms in Disk Galaxies", in: The Astrophysical Journal, 766, 34, 2013 March 20

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