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Zwerggalaxien: Kosmisches Plankton

Die vielen kleinen Sternsysteme in unserer galaktischen Umgebung verhalten sich ganz anders, als es laut Simulationen zu erwarten wäre. Das passt nicht zum kosmologischen Standardmodell.
Die Sculptor-ZwerggalaxieLaden...

Wenn Sie sich die Lebewesen der Ozeane vorstellen – was kommt Ihnen zuerst in den Sinn? Sind es majestätische Wale, vielleicht auch Tintenfische, Delfine oder Haie? Vermutlich fällt Ihnen spontan vieles ein, nur nicht das Plankton. Dabei kommt im Meer nichts so zahlreich vor wie diese überall umherschwebenden Organismen. Beim Weltall ist es ganz ähnlich. Beim Gedanken an den Kosmos haben wir sofort Bilder von faszinierenden Spiralgalaxien und gewaltigen Nebeln mit bestechenden Formen und Farben vor Augen. Dagegen fristen andere Gebilde eine wenig beachtete Existenz, obwohl sie im Universum gewissermaßen den größten Nahrungsvorrat stellen: die Zwerggalaxien. Die kleinen Sternsysteme treiben das Wachstum der größeren Strukturen an.

Ein genauer Blick auf die Zwerggalaxien ist also unverzichtbar, um das Zusammenspiel aller Objekte im Kosmos zu verstehen. In letzter Zeit häufen sich dabei Ungereimtheiten. Die Beobachtungen scheinen nicht gut zu den Vorhersagen des Standardmodells der Kosmologie zu passen, welches von der Existenz Dunkler Materie einer bis heute unbekannten Natur ausgeht. Aber der Reihe nach.

In den 1930er Jahren hat Harlow Shapley vom Harvard-College-Observatorium in Cambridge, Massachusetts, eines der damals größten Teleskope der Welt auf den Nachthimmel gerichtet und einen erstaunlichen Fund gemacht: eine unbekannte Art von Galaxie. Zu jener Zeit hatte Edwin Hubble bereits die unterschiedlichen Galaxientypen klassifiziert und eingeteilt. Auf der einen Seite die elliptischen, welche vor allem in Galaxienhaufen vorkommen, und auf der anderen die Spiralgalaxien, die eher in der kosmischen Einöde anzutreffen sind. Sie alle sind sehr weit von uns entfernt. Darum ist es fast unmöglich, ihre einzelnen Sterne zu sehen – die Galaxien erscheinen als verschmierte Lichtquellen. Shapley fand mit seinerzeit modernster Technik im südlichen Sternbild des Bildhauers (Sculptor) ein seltsames, weit ausgedehntes Objekt. Es hatte den Charakter einer Galaxie, aber seine Bestandteile waren als einzelne Sterne zu erkennen. Es musste also quasi vor unserer Nase sitzen – ein Trabant, der die Milchstraße umkreist wie ein Mond einen Planeten! Zu der Annahme passen die Größenverhältnisse: Das Objekt hat nur die Leuchtkraft einiger Millionen Sonnen, während es bei der Milchstraße 200 Milliarden sind.

Heute nennen wir den von Shapley gefundenen Begleiter die Sculptor-Zwerggalaxie. Sie gilt als der Archetyp der Zwerggalaxien. Diese sind in ihrer Erscheinung sehr diffus, da sie nur über relativ wenige Sterne verfügen. Deshalb wirken sie wie trübe Flecken am Nachthimmel und sind nur allzu leicht zu übersehen. Das macht es einerseits äußerst schwierig, sie überhaupt zu finden, aber andererseits spannend für Kosmologen. Denn die Zwerggalaxien besitzen zwar nur wenige Sterne, doch sie enthalten viel mehr von einer ganz anderen Komponente: der mysteriösen Dunklen Materie. Kein sonstiger Typ von Galaxien besitzt einen derart hohen Anteil daran. Und gerade weil Zwerggalaxien so wenig Sterne in sich vereinen, sind sie vergleichsweise einfach zu untersuchen. Das erleichtert es, mehr über die Dunkle Materie herauszufinden.

Anfang der Jahrtausendwende erhielt das Standardmodell der Kosmologie seine heutige Form. Es beruht auf der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein und benötigt zusätzlich noch die Dunkle Materie und die Dunkle Energie. Letztere ist eine weitere Komponente mit unbekannter Ursache, welche die beobachtete Expansion des Kosmos antreibt. Dank rechenstarker Supercomputer bekamen Astronomen bald ein Bild davon, wie sich das Universum vom Urknall bis heute entwickelt haben könnte. Grundsätzlich bilden sich zuerst kleine Strukturen – die Zwerggalaxien –, die verschmelzen und dadurch immer größere hervorbringen. Die Endprodukte sind dann Galaxien wie unsere Milchstraße. Wie Wale, die sich von Plankton ernähren, müssen sie sich unzählige der kleinen Zwerggalaxien einverleiben, um zu wachsen. Die kosmologischen Simulationen legen nahe, dass die Zwerggalaxien die Bausteine aller komplexeren Galaxien sind. Wäre da nicht ein Problem.

Eine Ungereimtheit scheint beseitigt, doch eine andere bleibt

Den Simulationen zufolge waren die großen Galaxien bei ihren Mahlzeiten alles andere als gründlich. Sie ließen Hunderte von Zwerggalaxien unberührt, welche sie heute wie Bienen umschwirren sollten. Das ist eine Voraussage der Computermodelle – und somit des kosmologischen Standardmodells, auf dem sie basieren.

Wie sieht es um die reale Milchstraße herum aus? Shapley fand noch im Jahr seiner ersten Entdeckung eine zweite Zwerggalaxie im Sternzeichen des chemischen Ofens (Fornax). Jedoch vergingen danach jeweils Jahrzehnte, bis weitere Exemplare auftauchten. Bis Ende der 1990er Jahre waren bloß etwa zehn solcher Begleiter unserer Galaxis bekannt. Verglichen mit den berechneten mehr als 1000 ist das erschreckend wenig.

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Dieses so genannte Problem der fehlenden Satelliten (englisch: missing satellites problem) wurde zu einem wichtigen Mysterium in der modernen Kosmologie. Heute, zwei Jahrzehnte später, sehen Astronomen es aber beinahe als beseitigt an. Denn erstens ist die Anzahl der neu entdeckten Zwerggalaxien um die Milchstraße in den letzten Jahren markant gestiegen – inzwischen sind etwa 50 Stück bekannt. Zweitens ermöglichte immer bessere Rechenleistung präzisere Vorhersagen auf den Skalen von Zwerggalaxien, und die kosmologischen Simulationen konnten wichtige Effekte mit einbeziehen. Berücksichtigen wir zum Beispiel auch Supernovae, sehen wir, dass die bei den Sternexplosionen freigesetzte Energie Zwerggalaxien manchmal regelrecht auseinanderreißt. Das passiert vor allem bei den sehr leuchtschwachen Zwerggalaxien, welche laut den Modellen am häufigsten vorkommen müssten. Indem also einerseits bei Beobachtungen laufend mehr Zwerggalaxien um die Milchstraße auftauchten und andererseits deren vorhergesagte Anzahl insgesamt sank, schien sich das Problem der fehlenden Satelliten aufzulösen.

Aber ein weiterer Widerspruch blieb bestehen. Ein Team um Pavel Kroupa von der Universität Bonn hat sich 2005 mit der räumlichen Verteilung der Zwerggalaxien befasst und dabei festgestellt: Die kosmologischen Simulationen ergeben hier ebenfalls etwas anderes als in Wirklichkeit beobachtet. Seit den 1970er Jahren ist bekannt, dass sich die Zwerggalaxien in einer Art dünner Scheibe senkrecht zur Milchstraße verteilen. Die Entdeckungen weiterer Exemplare haben das Bild sogar verstärkt. Laut Kroupa verteilen sich die Zwerggalaxien hingegen wie eine Wolke zufällig um die Hauptgalaxie. Den Computermodellen zufolge sollte eine Scheibenstruktur nur bei einem halben Prozent der Galaxiengruppen vorkommen. Das Milchstraßensystem wäre demnach ein Ausreißer. Das kommt hin und wieder vor – würden wir zum Beispiel die nächsten 1000 Galaxien untersuchen, wäre bei etwa fünf eine solche Scheibe aus Zwerggalaxien zu erwarten.

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Netze von sichtbarer und Dunkler Materie | Aufwändige Computersimulationen stellen auf Basis des kosmologischen Standardmodells die Entwicklung des Alls dar. Es entstehen Netze von sichtbarer und Dunkler Materie, die wie hier viele Millionen Lichtjahre überspannen und im Großen und Ganzen wie die heute beobachteten Strukturen aussehen. In Details gibt es jedoch Unstimmigkeiten.

Wie sieht es bei unseren Nachbargalaxien tatsächlich aus? Der Frage haben sich Andreas Koch und Eva Grebel, damals noch an der Universität Basel (heute sind beide an der Universität Heidelberg), gleich nach Kroupas Untersuchung gewidmet. Dabei betrachteten sie unsere Nachbargalaxie Andromeda. Sie ist wie die Milchstraße eine große Spiralgalaxie und somit im doppelten Sinn die nächstgelegene Wahl für eine solche Studie. Kochs und Grebels Ergebnis war erstaunlich: Auch um die Andromedagalaxie liegen die Zwerggalaxien in einer dünnen Scheibe. Ein zweiter Ausreißer im kosmologischen Modell!

Wenig später kam ein weiterer Fund hinzu. Auf Basis präziser Messungen der Bewegung der Sterne in den Zwerggalaxien der Milchstraße stellte Kroupas Forschungsgruppe fest, dass die meisten Zwerggalaxien innerhalb der Scheibe und im gleichen Drehsinn kreisen – ähnlich wie die Planeten um die Sonne. Dieser koordinierte Tanz ist verwunderlich, denn laut der kosmologischen Simulationen sollten die Bahnen der Zwerggalaxien eher chaotisch verlaufen und keinesfalls derart regelmäßig sein. Heute heißt der Widerspruch das Satellitenebenen-Problem (plane-of-satellites problem).

Kaum genutzte Weltraum-Autobahnen

Warum sagen die Modelle zufällig rotierende und wahllos verteilte Satellitensysteme voraus? Die Antwort auf die Frage führt zurück zum Anfang der Geschichte des Universums. Es war kurz nach dem Urknall extrem homogen, das heißt, in der Verteilung von Energie und Materie gab es nur kleine Dichteschwankungen. Diese reichten aber aus, um unter Einwirkung der Gravitation im Lauf der Zeit in den etwas stärker konzentrierten Bereichen weitere Materie anzusammeln. Währenddessen verloren die weniger dichten Regionen Materie. Solche Hohl- oder Leerräume nennen die Fachleute Voids. Mit der Zeit entstand ein kosmisches Netz aus fadenartig angeordneter Materie und Voids dazwischen. In den Knotenpunkten der Filamente sitzen die massereichen Galaxien wie die Milchstraße. Sie haben mit ihrer starken Gravitationskraft entlang der Filamente viele Zwerggalaxien zu sich gezogen. Die großen Galaxien werden immer von mehreren Filamenten aus unterschiedlichen Richtungen gespeist. Darum gibt es für die Zwerggalaxien viele mögliche Einfallsrichtungen – und entsprechend sollten ihr Drehsinn sowie ihre Anordnung keine Vorzugsrichtung aufweisen.

Nun könnte man vermuten, es müsse doch geometrische Konstellationen von Filamenten geben, die flache Strukturen um Spiralgalaxien begünstigen. Und tatsächlich tauchten kurz nach Kroupas Fund solche abgeplatteten Galaxiengruppen in den Simulationen auf. Nur sind sie trotzdem um einiges größer als das, was wir bei den Zwerggalaxien um die Milchstraße beobachten. Die Satellitenebene ist in Wirklichkeit rund 20 Kiloparsec dick (ein in der Astronomie übliches Längenmaß – ein Parsec entspricht etwa 3,3 Lichtjahren), die Filamentdurchmesser hingegen betragen 200 Kiloparsec und mehr. Das ist, als würden auf einer Autobahn mit zehn Spuren seltsamerweise alle Autos nur auf der mittleren fahren. Um derart gestauchte Strukturen zu erklären, müssten die Zwerge ausschließlich entlang der Hauptadern der Filamente einfallen. Einen erkennbaren physikalischen Grund dafür gibt es nicht.

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Centaurus A | Die Galaxie Centaurus A ist etwa 13 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Die senkrecht zur Staubscheibe ausgeworfene Strahlung und Materie stammen von einem Schwarzen Loch im Zentrum.

2013 hat ein Team um Rodrigo Ibata am Observatoire de Strasbourg die Bewegungen der Zwerggalaxien um die Andromedagalaxie bestimmt. Da sich die Objekte so weit weg von uns befinden, lassen sich die Positionsänderungen in Teleskopen zwar nicht räumlich auflösen. Aber die Wellenlängen ihres Lichts verschieben sich bei Bewegungen entlang unserer Sichtlinie messbar. Der Unterschied prägt sich dem Spektrum abhängig von der Geschwindigkeit zu uns hin oder von uns weg – das ist der bekannte Dopplereffekt. Glücklicherweise steht die Ebene der Zwerggalaxien mit der Kante zu uns. Das heißt, falls diese sich innerhalb dieser Ebene um die Andromedagalaxie drehen, müsste die eine Seite in den roten und die andere in den blauen Bereich des Spektrums verschoben sein. Genau das stellte sich bei der Untersuchung heraus! Auch dort laufen also Zwerggalaxien im Gleichsinn innerhalb einer dünnen Ebene herum – wie bei den Begleitern der Milchstraße.

Ein dritter Ausreißer?

Zu jener Zeit begann ich meine Doktorarbeit in Astronomie an der Universität Basel. Meine Betreuer Bruno Binggeli in Basel sowie Helmut Jerjen von der National University of Australia in Canberra und ich stellten uns die Frage, ob unsere so genannte Lokale Gruppe aus Andromedagalaxie und Milchstraße einfach ein Ausreißer im kosmologischen Modell ist oder ob andere Galaxiengruppen ebenfalls solche unerwarteten Eigenschaften besitzen. Darum fahndeten wir an solchen Orten nach Zwerggalaxien. Wir begannen mit der Centaurus-Gruppe am südlichen Firmament und verwendeten die Dark Energy Camera an einem der besten Teleskope der Welt in Chile. Die Centaurus-Gruppe besteht wie unsere Lokale Gruppe aus zwei großen Galaxien: Centaurus A, einer elliptischen Galaxie, und Messier 83, einer Spiralgalaxie ähnlich der Milchstraße. Dazu kommt eine Hand voll Zwerggalaxien. In einer Beobachtungskampagne zwischen 2014 und 2015 durchforsteten wir mehr als 500 Quadratgrad am Sternenhimmel, um die ganze Centaurus-Gruppe zu erfassen. Das entspricht einer Fläche von 2000 Vollmonden. Am Ende hatten wir die Anzahl ihrer bekannten Zwerggalaxien verdoppelt.

Zur gleichen Zeit hat ein Team um Brent Tully vom Institute for Astronomy in Hawaii die um Centaurus A bereits identifizierten Zwerggalaxien untersucht und festgestellt, dass diese dort ebenfalls nicht sphärisch, sondern flach verteilt waren. Das konnten wir an den von uns neu entdeckten Zwerggalaxien gleich überprüfen. Auch mit ihnen sieht das Satellitensystem von Centaurus A relativ flach aus, wenngleich nicht ganz so sehr wie bei der Milchstraße. Das ist aber verständlich, da Centaurus A einiges mehr an Masse aufweist und somit eine insgesamt größere Struktur zu erwarten wäre. Als wir die dreidimensionale Anordnung studierten, fiel uns etwas Grundlegendes auf: Die Ebene der Zwerggalaxien um Centaurus A steht wie bei der Andromedagalaxie mit der Kante auf unserer Sichtlinie. Somit konnten wir auch hier testen, ob die Zwerggalaxien auf der einen Seite rot- und auf der anderen blauverschoben erscheinen, ob also das Satellitensystem von Centaurus A ebenfalls aus einer sich drehenden Ebene besteht. Zu 16 der bekannten Zwerggalaxien um Centaurus A fanden wir in der Fachliteratur bereits Geschwindigkeitsmessungen. Wir trugen die Positionen und Werte auf und waren verblüfft: 14 der 16 Trabanten bewegten sich so, wie es bei einem rotierenden System zu erwarten war. Das war unter den bisher drei untersuchten Fällen der dritte, wo sich die Zwerggalaxien nicht entsprechend der Modelle verhalten.

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Centaurus-A-Zwerge | Die 16 vom Autor untersuchten Zwerggalaxien umkreisen die Galaxie Centaurus A (schwarzer Punkt) weitgehend in einer Ebene: Auf der einen Seite bewegen sie sich von uns aus gesehen weg (rote Dreiecke, die Länge der Striche kennzeichnet die Geschwindigkeit), auf der anderen zu uns hin (blaue Dreiecke).

Mein Kollege Marcel Pawlowski, heute am Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam, verglich die Beobachtungen um Centaurus A mit den derzeit besten kosmologischen Simulationen. Er fand dieselben Wahrscheinlichkeiten wie für die Milchstraße – die Situation kommt in nur etwa einem halben Prozent der berechneten Fälle vor. Eigentlich hätte man über eine Million Galaxiengruppen beobachten müssen, um das Milchstraßen-, das Andromeda- und das Cen-A-System genau nacheinander zu finden. Hatten wir nur extremes Glück, oder steckt mehr dahinter?

Viele Ideen, doch keine heiße Spur

Die Frage, ob solche rotierenden Satellitenstrukturen das kosmologische Modell nun arg in Bedrängnis bringen oder ob wir die Bedeutung der Zwerggalaxien überinterpretieren, wird seither in Fachkreisen heiß diskutiert. Für Noam Libeskind vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam handelt es sich beispielsweise um eine Besonderheit unserer galaktischen Umgebung. Die drei Galaxien befinden sich am Rand einer großen Void des kosmischen Netzes und scheinen mehr oder weniger danach ausgerichtet zu sein. Die Ausdehnung der Voids könnte flache Ebenen begünstigen, wie bei einem Ballon, dessen Gummihaut beim Aufblasen immer dünner wird. Neben der Ausdehnung des Hohlraums verstärkt der massereiche Virgo-Galaxienhaufen den Effekt, denn dieser zieht zusätzlich gravitativ an den Ebenen, und zwar genau von deren Kanten her. Wie durch das kosmische Pressen und Zerren aber die Rotation zu Stande kommen könnte, ist noch ein offenes Problem. Für Kroupa hingegen ist die Sache klar: Die Simulationen sagen die Beobachtungen nicht zufrieden stellend voraus, also muss das zu Grunde liegende Modell der Dunklen Materie falsch sein.

Bessere Computerberechnungen lösen das Satellitenebenen-Problem bislang nicht, wie es im Fall der fehlenden Satelliten gelungen ist. Im Gegenteil, die Wahrscheinlichkeiten für solche rotierenden Schichten von Zwerggalaxien wurden sogar kleiner. Andererseits kann das Modell trotzdem sehr viele andere Phänomene sehr genau beschreiben – und wegen einer Unstimmigkeit muss nicht gleich die ganze Kosmologie über den Haufen geworfen werden.

Wie geht es nun weiter? In einer Beobachtungskampagne mit dem größten optischen Teleskop der Südhemisphäre, dem Very Large Telescope, beobachten wir gemeinsam mit Marina Rejkuba, Michael Hilker und Katja Fahrion an der Europäischen Südsternwarte weitere Zwerggalaxien um Centaurus A. Wir wollen überprüfen, ob die von uns neu gefundenen Exemplare in gleicher Weise rotieren. Auch andere Fachleute suchen nach Zwerggalaxien um weiter entfernte Galaxien und haben sogar Hinweise auf Anordnungen in Ebenen gefunden. Genauere dreidimensionale Positionsmessungen werden dabei helfen, die rotierenden Systeme zu verstehen. Zudem versuchen wir zu überprüfen, ob sie doch mit dem Standardmodell der Kosmologie vereinbar sind. Eine unserer Ideen: Gigantische Galaxienkollisionen könnten das Phänomen hervorbringen. Zumindest Centaurus A hat gerade eine solche hinter sich. Darüber hinaus suchen wir nach Ansätzen, die entweder die Eigenschaften der Dunklen Materie im Standardmodell verändern – oder sogar die Gravitationstheorie selbst. Die modifizierten Gravitationstheorien befinden sich jedoch noch in den Kinderschuhen und können sich noch nicht mit den vielen übrigen Erfolgen des Standardmodells messen.

Eines jedenfalls wurde in den letzten Jahrzehnten klar: Wollen wir das Rätsel der Dunklen Materie lüften, dann müssen wir die seltsamen Phänomene rund um die Zwerggalaxien verstehen. Denn wir haben im Universum gerade erst damit begonnen, Licht ins Dunkle seiner kleinsten Strukturen zu bringen.

35/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 35/2020

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  • Quellen

Kroupa, P. et al: The great disk of Milky-Way satellites and cosmological sub-structures. Astronomy & Astrophysics 431, 2005

Libeskind, N. I. et al.: Planes of satellite galaxies and the cosmic web. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 452, 2015

Müller, O. et al.: A whirling plane of satellite galaxies around Centaurus. A challenges cold dark matter cosmology. Science 359, 2018

Pawlowski, M. S.: The planes of satellite galaxies problem, suggested solutions, and open questions. Modern Physics Letters A 33, 2018

Tully, R. B. et al.: Two planes of satellites in the Centaurus A group. Astrophysical Journal 802, 2015

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