Die ultra-diffuse Galaxie Dragonfly 44 in einer Infrarotaufnahme des Gemini-Nord-Teleskop. Bild: van Dokkum et al., arXiv:1606.06291, gemeinfrei.
Mein Dank geht an den Astronomen Oliver Müller, der freundlicherweise wieder einen Gastartikel zu meinem Blog beisteuert. Heute referiert er über eine Arbeit, die den Ursprung einer besonderen Klasse von Galaxien zu erschließen versucht, den ungewöhnlich lichtschwachen “ultra-diffusen Galaxien”.
 

 
Ultra-diffuse Galaxien sind extreme Objekte im Universum. Einerseits leuchten sie so schwach wie Zwerggalaxien – die schwächsten und kleinsten Galaxien im Universum – anderseits sind sie so groß wie unsere Milchstraße. Diese Dualität wirft die berechtigte Frage nach ihrem Ursprung auf. Ein neuer Artikel von Orsolya Eszter Kovacs – einer Doktorandin am renommierten Smithsonian Astrophysical Observatory in Harvard – bringt neues Licht in die Debatte.

 

Was sind ultra-diffuse Galaxien?

Die Existenz von ultra-diffuse Galaxien ist seit Jahrzehnten bekannt. Allan Sandage – bekannt als Assistent und Nachfolger von Edwin Hubble – und Bruno Binggeli entdeckten in einer Durchmusterung des Nachthimmels im Jahre 1984 eine große Anzahl dieser Art von Galaxien im Virgo-Galaxienhaufen. Ein paar Jahre lang wurden diese Galaxien weiter studiert, aber bald verschwanden sie dann wieder im Niemandsland. Bis ein Team um Pieter van Dokkum in Yale im 2015 jene Art von Galaxien wiederentdeckte, diesmal im Coma-Galaxienhaufen. Seither sind ultra-diffuse Galaxien in aller Munde.

Formal definieren wir heute alle Galaxien, welche eine schwächere Flächenhelligkeit als 25m pro Quadratbogensekunde im visuellen Band und einen Diameter von 7.5 Kiloparsec haben, als ultra-diffuse Galaxien. Durchmusterungen in Galaxienhaufen und Galaxiengruppen haben eine unglaubliche Anzahl dieser Galaxien gefunden, sie sind eigentlich ganz häufig anzutreffen. Deshalb ist auch die Frage nach ihrer Herkunft unglaublich wichtig für die Kosmologie. Dabei gibt es momentan vor allem zwei Trends: van Dokkum selbst hat vorgeschlagen, dass diese Galaxien gescheiterte Milchstraßen sind, also Galaxien, die ein Dunkle-Materie-Halo wie die Milchstraße besitzen, aber aus irgendeinem Grund nur ganz wenig Gas im frühen Universum einfangen konnten oder es bald verloren haben. Somit konnten sie nur wenige Sterne produzieren. Eine andere Theorie sagt, dass ultra-diffuse Galaxien früher gewöhnliche Zwerggalaxien waren, die durch Gezeitenkräfte aufgeplustert wurden. Da beide Theorien auf beobachteten Eigenschaften der ultra-diffusen Galaxien beruhen, sind beide mehr oder weniger plausibel.

Dazu gab es bisher zwei Kronzeugen. Einerseits galt die ultra-diffuse Galaxie Dragonfly-44 als Archetyp ihrer Art und ein immens hoher Anteil an Dunkler Materie wurde in ihr festgestellt (van Dokkum et al. 2016) – 99 Prozent der Galaxie besteht aus Dunkler Materie, und nur ein Prozent aus Sternen! Nun, zu Dragonfly-44 gab es vor ein paar Wochen neue Messungen, die diese Zahlen wieder relativiert haben und ihr einen gewöhnlichen Anteil an dunkler Materie zuschreiben. Der überhöhte Anteil an Dunkler Materie war einem Messfehler zuzuschreiben. Dragonfly-44 ist somit doch nicht so ungewöhnlich.

Das andere extrem ist NGC1052-DF2, welche anscheinend gar keine Dunkle Materie aufweist. Auch dies wurde von van Dokkums Team publiziert, und dieses mal sogar in Nature. Über NGC1052-DF2 wurde auf diesem Blog schon mehrfach berichtet, und wer auch meinem Astronomie Blog folgt, weiss, dass ich diese Arbeit sehr skeptisch betrachte. Um was es genau geht, steht in diesem Artikel. Beide Galaxien also helfen nicht weiter, wenn es um die Entstehungsgeschichte “gewöhnlicher” ultra-diffuser Galaxien geht.

 

Was das Röntgenlicht verrät

Einen alternativen Ansatz, dieses Problem anzugehen, hat nun Orsolya Eszter Kovacs und ihr Team gewählt [1]. In einem Artikel vom 13. Juni 2019 beschreiben sie Röntgenstrahlen-Beobachtungen von 58 ultra-diffusen Galaxien. Röntgenstrahlen in Galaxien entstehen typischerweise in heißem Gas und geben Hinweise auf die Dunkle Materie in Galaxien. Hat eine Galaxie nur wenig Dunkle Materie (wie etwa Zwerggalaxien), ist ihre Gravitationskraft relativ gering, und die Galaxie kann nur wenig Gas in ihrem Gravitationspotential binden. Hat die Galaxie jedoch ein großes Dunkle-Materie-Halo – sie ist also sehr schwer – reicht die Gravitation, um das Gas in der Galaxie zu halten. Misst man also ein großes Reservoir an heißem Gas mit Hilfe der Röntgenstrahlung, kann man zurückschließen, dass eine große Menge Dunkle Materie vorhanden sein muss, wie etwa für Milchstraßen-artige Galaxien.

Hier eine wichtige Anmerkung: dabei meinen wir die Gesamtmenge an Dunkler Materie, denn häufig sprechen wir davon, dass die Zwerggalaxien die durch die Dunkle Materie am stärksten dominierten Galaxien sind. In absoluten Zahlen aber haben Zwerge typischerweise etwa 10 Milliarden Sonnenmassen an Dunkler Materie, hingegen Milchstrassen-artige Galaxien etwa 1000 Milliarden Sonnenmassen. Relativ betrachtet aber können Zwerggalaxien bis zu einem Faktor 1000 mehr Dunkle Materie als Sterne und Gas haben, Milchstraßen-artige Galaxien besitzen typischerweise nur einen Faktor 10 mehr an Dunkler Materie.

Empirische Beziehung der Röntgenleuchtkraft im 0,3-0,8 Kiloelektronevolt-Band des heißen Gases zur Gesamtmasse von Galaxien innerhalb von 5 “effektiven Radien” (entsprechend 5mal dem Radius einer gleich hellen Lichtquelle, die über die gesamte Fläche eine gleichmäßige Helligkeit hätte) gemäß einem Modell von Kim & Fabbiano. Der von den Autoren der hier beschriebenen Arbeit ermittelte durchschnittliche Helligkeitswert (schwarzer Stern) entspricht einer Masse inklusive Halo von 6·1010 Sonnenmassen. Das ist etwa 40mal weniger als für eine Galaxie wie Dragonfly 44 zu erwarten wäre, wenn man ihren Dunkle-Materie-Halo gemäß der Bewegung ihrer Sterne im Inneren nach außen abschätzt. Bild: [1], arXiv, gemeinfrei.

Nun, Röntgenstrahlen in weit entfernten und schwach leuchtenden Galaxien ist schwierig zu messen. Sehr schwierig. Deshalb hat Kovacs Team einen klassischen Trick angewandt: Sie haben das Signal aller Galaxien zusammenaddiert um somit ein durchschnittliches Signal zu bekommen. Man stelle sich vor, man hat ein sehr schwaches Signal, und darüber gelegt ein starkes Rauschen. Während das Signal echt ist, sprich immer mit gleicher Intensität ankommt, ist das Rauschen zufällig, mal wird ein hoher Wert gemessen, mal ein tiefer. Mittelt man das Rauschen, werden sich diese Rausch-Spitzen gegenseitig aufheben. Mittelt man hingegen das Signal, bleibt es vorhanden, da es ja echt ist. Somit kann ein Signal, welches schwächer ist als das Rauschen, trotzdem gemessen werden. Auf Kovacs Problem angewandt bedeutet das, dass man die Masse an heißem Gas im Mittel ermittelt. Ich selbst z.B. benutze diese Technik um nach ultra-diffusen und Zwerggalaxien in Bildern zu suchen, indem wir viele kurze Belichtungen machen und sie dann mitteln.
Dieser Ansatz hat noch den weiteren Vorteil für Kovacs Team, dass eine einzelne Galaxie nicht “besondere” Aufmerksamkeit erhält und von den “typischen” ultra-diffusen Galaxie ablenkt, sondern eine Aussage über die Gesamtpopulation der ultra-diffusen Galaxien abgibt.

 

Und der Sieger ist…

Und was ist das Resultat der Studie? Sitzen ultra-diffuse Galaxien in Milchstraßen-artigen Dunkle Materie Halos, oder sind sie eher zu vergleichen mit Zwerggalaxien? Die Antwort ist die folgende: ultra-diffuse Galaxien haben ein durchschnittliches Röntgensignal von Zwerggalaxien! Wären die meisten Galaxien vom Typ der gescheiterten Milchstraßen, hätte ein viel höheres Signal an Röntgenstrahlung bei uns ankommen müssen, was Kovac et al. nicht festgestellt haben. Ultra-diffuse Galaxien sind somit typischerweise “aufgepumpte Zwerggalaxien”.

Für mich persönlich ist dieses Resultat ein großer Erfolg, da ich mich von Anfang an im Lager der Zwerggalaxien befand. Da das Resultat aber ein Mittel darstellt, kann es dennoch sein, dass es mehr als einen Weg gibt, solche Galaxien zu formen. Wäre zum Beispiel eine handvoll Milchstraßen-artiger ultra-diffuser Galaxien im Datensatz dabei, würde dies nicht detektiert werden, da sich auch hier das Signal mit dem Großteil der Zwerg-artigen ultra-diffusen Galaxien herausgemittelt hätte, so ähnlich wie die hohen Rausch-Spitzen mit den tiefen. Deshalb ist diese neue Studie nur dafür geeignet, um Aussagen über die Mehrheit der ultra-diffusen Galaxien zu machen, aber dennoch ungeeignet, um verschiedenen Theorien auszuschließen.

Referenzen

[1] Orsolya E. Kovacs, Akos Bogdan, Rebecca E. A. Canning, “Constraining the dark matter halo mass of isolated low-surface-brightness galaxies”, eingereicht 13. Juni 2019, arXiv:1906.05867.

Kommentare (26)

  1. #1 bote19
    4. Juli 2019

    Kurze Frage.
    Die Rauschunterdrückung , geschieht die digital oder analog ?

  2. #2 Alderamin
    4. Juli 2019

    @bote19

    Natürlich digital. Die Daten stammen vom Weltraumteleskop XMM-Newton.

  3. #3 schlappohr
    4. Juli 2019

    […] gewöhnliche Zwerggalaxien waren, die durch Gezeitenkräfte aufgeplustert […]

    Das bedeutet, durch den gravitativen Einfluss benachbarter Galaxien? Dann müssten sich doch in der Umgebung solcher ultradiffuser Galaxien Gravitationsquellen finden lassen, die die Gezeitenkräfte einst verursacht haben, während diese bei gewöhnlichen Zwerggalaxien fehlen. Oder ist das “Aufplustern” vor so langer Zeit passiert, dass die dafür verantwortlichen Gravitationsquellen längst anderswo sind?

  4. #4 Oliver Müller
    Teneriffa
    4. Juli 2019

    Das bedeutet, durch den gravitativen Einfluss benachbarter Galaxien? Dann müssten sich doch in der Umgebung solcher ultradiffuser Galaxien Gravitationsquellen finden lassen, die die Gezeitenkräfte einst verursacht haben, während diese bei gewöhnlichen Zwerggalaxien fehlen. Oder ist das “Aufplustern” vor so langer Zeit passiert, dass die dafür verantwortlichen Gravitationsquellen längst anderswo sind?

    Gute Frage. Einerseits kann das schon tatsächlich lange her sein, und die meisten UDGs findet man in Gruppen und Galaxienhaufen. Es gibt wenige, die isoliert auftreten (wie übrigens Zwerggalaxien auch).

    Dann gibt es natürliche verschiedene Möglichkeiten, wie sie an Grösse anwachsen konnten. Z.B. könnten sie durch einen Zusammenstoss mit einem “leeren” Dunkle Materie Halo so anwachsen. Oder ein Vorbeiflug an einer nahen Zwerggalaxie könnte Sternformation ausgelöst haben, welche dann sehr viele Supernovas produzierte und den Zwerg so vergrösserte. Oder ein Vorbeiflug an einer Riesengalaxie, die den Zwerg durch Gezeiten zerriss.

    Wahrscheinlich gibt es nicht nur die eine Möglichkeit, sondern einen ganzen Haufen an Entstehungsgeschichten.

  5. #5 Alderamin
    4. Juli 2019

    @Oliver Müller

    Wie sieht’s mit Verschmelzungen aus? Die Scheibe der Milchstraße (thick disk) soll ja auch durch Verschmelzungen mit kleinen und mittelgroßen Galaxien aufgeheizt worden sein. Wenn zwei Zwerge verschmelzen, ist der Effekt wohl viel größer, als wenn die Milchstraße einen Zwerg schluckt.

    Schönen Urlaub 😉

  6. #6 Oliver Müller
    Teneriffa
    4. Juli 2019

    Wie sieht’s mit Verschmelzungen aus? Die Scheibe der Milchstraße (thick disk) soll ja auch durch Verschmelzungen mit kleinen und mittelgroßen Galaxien aufgeheizt worden sein. Wenn zwei Zwerge verschmelzen, ist der Effekt wohl viel größer, als wenn die Milchstraße einen Zwerg schluckt.

    Verschmelzungen von Zwergen sind beobachtet, z.B. durch einen Doppelnukleus. Ich denke (und spekuliere), dass dies dann von dem Drehmoment der Verschmelzung abhängt.

    Schönen Urlaub

    Danke, aber ich bin am IAC (Instituto de Astrofísica de Canarias) auf Arbeit und treffe mich unter anderem mit Nacho Trujillo vom berühmten DF2-Gegenartikel, über den du geschrieben hast. 🙂

  7. #7 Alderamin
    4. Juli 2019

    @Oliver Müller

    Danke, aber ich bin am IAC (Instituto de Astrofísica de Canarias) auf Arbeit

    Hätte wohl doch Astronomie im Hauptfach studieren sollen… 😉

    Viel Spaß und Gruß an Señor Trujillo!

  8. #8 Felix
    85579
    5. Juli 2019

    Haben/hatten diese Galaxien denn ein zentrales Schwarzes Loch?
    Bzw. wuerde das Vorhandensein eines solchen, bzw. dessen Masse, die Entstehung erschweren? Ich koennte mir vorstellen dass der Vorgang des “Aufblasens” dadurch erschwert wird.

  9. #9 Oliver Müller
    Teneriffa
    5. Juli 2019

    Haben/hatten diese Galaxien denn ein zentrales Schwarzes Loch?
    Bzw. wuerde das Vorhandensein eines solchen, bzw. dessen Masse, die Entstehung erschweren? Ich koennte mir vorstellen dass der Vorgang des “Aufblasens” dadurch erschwert wird.

    Sie können massive Kugelsternhaufen haben, also einen sogenannten Nukleus, welcher ein massives Schwarzes Loch haben könnte. Aber Schwarze Löcher aus einer gewissen Distanz her sind eigentlich ganz gewöhnliche Massen-Potentiale, und auch nicht anders als Sterne zu behandeln. Die starke Krümmung passiert nur in unmittelbarer Nähe. Somit sollte das keine Rolle spielen. Z.B. wenn die Sonne ein schwarzes Loch wäre, würde das die Umlaufbahn der Erde kaum ändern, wenn ich das richtig im Kopf habe, da der Abstand schon zu gross ist. Gehen wir zu Galaxien, sind natürlich die Abstände noch viel gewaltiger.

  10. #10 Felix
    6. Juli 2019

    Bei der zentrallen Masse, was auch immer es ist, dachte ich an den Überrest einer aufgeblasenen Galaxie.
    Denn die andere Alternative, ein Halo der zu einer gescheiterten Galaxie führt, scheint mir unlogisch. Ein Halo aus dunkler Materie kann meines Erachtens ja nicht von sich aus entstehen. Materie verklumpt (im Gegensatz zu DM), und dieser Klumpen fängt sich dann den DM Halo ein.
    Oder liege ich da komplett falsch?

  11. #11 Oliver Müller
    Teneriffa
    6. Juli 2019

    Bei der zentrallen Masse, was auch immer es ist, dachte ich an den Überrest einer aufgeblasenen Galaxie.
    Denn die andere Alternative, ein Halo der zu einer gescheiterten Galaxie führt, scheint mir unlogisch. Ein Halo aus dunkler Materie kann meines Erachtens ja nicht von sich aus entstehen. Materie verklumpt (im Gegensatz zu DM), und dieser Klumpen fängt sich dann den DM Halo ein.
    Oder liege ich da komplett falsch?

    Warum sollte sich DM nicht verklumpen? Das ist ja gerade die *wichtigste* Eigenschaft der DM, dass sie sich schneller verklumt hat als die gewöhnliche Materie, um so Strukturen zu formen. Zuerst formten sich DM Halos, und diese fingen dann Gas auf, welches dann Sterne formte. Dies ist das Standard Dunkle Energie + Dunkle Materie Model, auf dem unsere Kosmologie basiert.

    Ich verstehe deinen Kommentar nicht ganz, sorry. 🙂

  12. #12 Felix
    6. Juli 2019

    Verklumpen im Sinne von “stößt zusammen” und bildet größere Strukturen, im Gegensatz zu DM, die durch alles “durchfliegt” (so sie es denn tut).
    Also sollte sich doch Materie schneller zusammenballen als DM, die das nur durch die Gravitation tut.

  13. #13 Karl-Heinz
    7. Juli 2019

    @Felix

    Ich kann mir schon vorstellen, dass dunkle Materie durch ihr gravitatives Wechselspiel zu Halos klumpen. Die Einzelteilchen der dunklen Materie führen dabei natürlich eine ganz andere Bewegung aus, als was wir von der normalen Materie gewohnt sind. Was klumpt im Großen früher, normale Materie oder DM? Nachdem DM häufiger vorkommt als sichtbare Materie, dominiert beim gravitativen Wechselspiel großräumig die DM, so meine Vermutung als Laie. 😉

  14. #14 Karl-Heinz
    7. Juli 2019

    @Felix

    Beim gravitativen Wechselspiel stoßen die Teilchen der DM natürlich nicht zusammen, sondern interagieren durch ihr gemeinsames Gravitationspotential.

  15. #15 Herr Senf
    7. Juli 2019

    Das Problem hier ist wohl das Wortspiel mit dem Wort “verklumpen”, also Formulierung.
    Baryonische Materie sammelt sich im Gravitationszentrum und verklumpt – dann Sterne.
    Dunkle Materie “sammelt” sich nur, wird die Kin-Energie nicht los und verklumpt nicht.
    Bei der Dunklen Materie haben wir eine gleichmäßige Verteilung, auch wenn sie sich in und ab galaktischen Zentren als Halos konzentriert, wird das kein “wörtlicher Klumpen”.
    Ganz frühe Galaxien bis 2 Mrd Jahre (jetzt alte) hatten kaum DM, die strömte später nach.
    Erst ab 4 Mrd Jahren beobachten wir die Strukturdominanz der DM in jüngeren Galaxien.

  16. #16 Karl-Heinz
    7. Juli 2019

    @Herr Senf

    Nachdem Klumpen kein Fachbegriff in der Astronomie ist, sollte man es in seiner Bedeutung allgemeiner halten.
    Welche Dichteverteilung hat ein Halo (für mich ein Klumpen DM, der sich nicht weiter zusammenziehen kann, da DM seine kinetische Energie nicht loswerden kann).

    Ok, das mit der Strukturdominanz wusste ich nicht, da wie erwähnt ich halt Laie bin. 😉
    https://www.spektrum.de/news/nur-wenig-dunkle-materie-in-fruehen-galaxien/1441360

  17. #17 Felix
    7. Juli 2019

    Das Problem hier ist wohl das Wortspiel mit dem Wort “verklumpen”, also Formulierung …

    Ja, danke, so hatte ich das gemeint.
    Meine kleine “simulation“, ohne irgendeinen Mathematisch-naturwissenschaftlichen Anspruch. Ohne baryonische Materie bilden sich auch keine DM Halos.

    Darauf zielte meine ursprüngliche Frage, wie DM Halos ohne Materie hätten entstehen können. Durch Abkühlung im Zuge der Expansion?

  18. #18 Karl-Heinz
    7. Juli 2019

    Um deine Frage zu beantworten musst du dich mit Relaxation und Virialgleichgewicht auseinandersetzen. Viel Spaß dabei. 😉

  19. #19 Karl-Heinz
    7. Juli 2019

    @Felix

    Deine kleine “simulation“ müsstest du natürlich schon mit ein paar Sätzen beschreiben. 😉

  20. #20 Oliver Müller
    Teneriffa
    8. Juli 2019

    Darauf zielte meine ursprüngliche Frage, wie DM Halos ohne Materie hätten entstehen können. Durch Abkühlung im Zuge der Expansion?

    Gravitation. 😉

  21. #21 Oliver Müller
    Teneriffa
    8. Juli 2019

    Ganz frühe Galaxien bis 2 Mrd Jahre (jetzt alte) hatten kaum DM, die strömte später nach.
    Erst ab 4 Mrd Jahren beobachten wir die Strukturdominanz der DM in jüngeren Galaxien.

    Ok, das mit der Strukturdominanz wusste ich nicht, da wie erwähnt ich halt Laie bin.
    https://www.spektrum.de/news/nur-wenig-dunkle-materie-in-fruehen-galaxien/1441360

    Diese Arbeit wird von ziemlich niemandem ernst genommen, da ein super grober Fehler passiert ist: Sie haben die Rotationskurven nicht weit genug hinaus gemessen, sondern nur bis dort, wo auch bei den heutigen Galaxien vorallem die Baryonen dominieren. Ist hier sehr schön erklärt:
    https://tritonstation.com/2017/03/19/declining-rotation-curves-at-high-redshift/

  22. #22 Karl-Heinz
    8. Juli 2019

    @Oliver Müller

    Danke für die Richtigstellung.

  23. #23 Captain E.
    8. Juli 2019

    Tja, “verklumpen” im Sinne einer elektromagnetischen Wechselwirkung wie zwischen Atom(kern)en können wir für die Dunkle Materie natürlich ausschließen. Wenn sie so etwas täte, wäre sie ja definitionsgemäß nicht mehr “dunkel”.

  24. #24 Felix
    8. Juli 2019

    Um deine Frage zu beantworten musst du dich mit Relaxation und Virialgleichgewicht auseinandersetzen. Viel Spaß dabei.

    Danke für die Stichworte, damit habe ich es gefunden.

    Gravitation.

    +Expansion, wenn ich es richtig verstanden habe.

  25. #25 Oliver Müller
    Teneriffa
    8. Juli 2019

    +Expansion, wenn ich es richtig verstanden habe.

    Gravitation. 😉

  26. #26 Karl-Heinz
    9. Juli 2019

    @Felix

    Ok.
    Kosmische Strukturen aus Dunkler Materie mussten zumindest bei ihrer Entstehung gegen die allgemeine Ausdehnung des Universums anlaufen. Gott sei dank bildet Dunkle Energie selbst keine kosmische Strukturen. 😉