Simulation: eine Scheibengalaxie entsteht

Videocredit: Fabio Governato et al. (U. Washington), N-Body Shop, NASA Advanced Supercomputing

Wie entstehen Galaxien wie unsere Milchstraße? Da sich unser Universum für eine direkte Beobachtung der Galaxienentstehung zu langsam bewegt, wurden schnellere Computersimulationen entworfen, um das herauszufinden. Dieser Film zeigt (vorwiegend) Wasserstoff in Grün. Rechts unten läuft die Zeit in Milliarden Jahren seit dem Urknall. Dunkle Materie durchdringt alles und ist überall vorhanden, wird aber nicht gezeigt.

Zu Beginn der Simulation fällt Gas aus der Umgebung ein und sammelt sich in Regionen mit relativ hoher Gravitation. Bald entstehen zahlreiche Protogalaxien. Sie rotieren und beginnen zu verschmelzen. Nach etwa vier Milliarden Jahren entsteht ein klar definiertes Zentrum. Es bestimmt eine Region mit einem Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren und sieht nach und nach wie eine heutige Scheibengalaxie aus.

Doch nach ein paar weiteren Milliarden Jahren kollidiert diese frühe Galaxie mit einer anderen. Gasströme von anderen Galaxienverschmelzungen regnen auf diesen seltsamen, faszinierenden kosmischen Tanz herab. Als die Simulation das halbe Alter des heutigen Universums erreicht, entsteht eine einzelne, größere Scheibe. Selbst dann fallen noch Gasklumpen hinein. Manche davon sind kleine Begleitgalaxien. Sie fallen hinein und werden in der gegenwärtigen Epoche von der rotierenden Galaxie absorbiert. Damit endet der Film.

Für unsere Milchstraße sind die großen Verschmelzungen vielleicht noch nicht vorbei. Es gibt aktuelle Hinweise, dass unsere riesige Spiralgalaxienscheibe in wenigen Milliarden Jahren mit der etwas kleineren Andromeda-Spiralgalaxie kollidiert und verschmilzt.

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NGC 4449: Sternenstrom einer Zwerggalaxie

Aus der Galaxie NGC 4449 im Bild ist ein Gezeitenstrom aus Sternen gezogen, es ist der erste, der bei einer Zwerggalaxie entdeckt wurde.

Bildcredit und Bildrechte: R Jay Gabany (Blackbird Obs.), Einschub: Subaru/Suprime-Cam (NAOJ), Mitarbeit: David Martinez-Delgado (MPIA, IAC), et al.

Die irreguläre Zwerggalaxie NGC 4449 ist etwa 12,5 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und liegt in den Jagdhunden (Canes Venatici). Sie ist so groß wie die Große Magellansche Wolke, eine Begleitgalaxie der Milchstraße. Ihr intensiver Abschnitt an Sternbildung ist auf diesem detailreichen Farbporträt zu sehen. Sie ist reich an jungen blauen Sternhaufen, rötlichen Sternbildungsregionen und undurchsichtigen Staubwolken. Sie ist auch die erste Zwerggalaxie, bei der ein Gezeitenstrom aus Sternen entdeckt wurde. Er ist rechts unten zart erkennbar.

Wenn ihr den Mauspfeil über das Bild schiebt, seht ihr einen Einschub des Stroms, in dem rote Riesensterne aufgelöst sind. Der Sternstrom ist der Überrest einer noch kleineren, hineinfallenden Begleitgalaxie, die von Gezeitenkräften auseinandergerissen wurde. Ihr Schicksal ist die Verschmelzung mit NGC 4449.

Kleine Galaxien mit relativ wenigen Sternen besitzen vermutlich ausgedehnte Halos aus Dunkler Materie. Weil Dunkle Materie jedoch gravitativ wechselwirkt, bieten diese Beobachtungen eine Gelegenheit, die bedeutende Rolle Dunkler Materie bei Galaxienverschmelzungen zu untersuchen. Die Wechselwirkung ist wahrscheinlich für den Ausbruch an Sternbildung in NGC 4449 verantwortlich. Das bietet einen faszinierenden Einblick in den Prozess, wie kleine Galaxien im Lauf der Zeit zusammengefügt werden.

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Die große Spiralgalaxie NGC 1232

Im Bild ist die Spiralgalaxie NGC 1232 mit ausgeprägten Spiralarmen und Sternhaufen von oben zu sehen. Der Kern ist gelblich, nach außen hin wird die Galaxie orangefarben, die äußeren Spiralarme sind bläulich. Links unten im Bild ist eine kleine Galaxie mit Balken.

Bildcredit: FORS, 8,2-Meter-VLT Antu, ESO

Galaxien faszinieren nicht nur wegen dem, was man sieht, sondern auch wegen dem, was man nicht sieht. Ein gutes Beispiel ist die große Spiralgalaxie NGC 1232 im Sternbild Eridanus. Sie wurde von einem der neuen Very Large Telescopes detailreich aufgenommen.

Das Sichtbare wird von Millionen heller Sterne und dunklen Staubs bestimmt, die im Gravitationswirbel der Spiralarme gefangen sind. Die drehen sich um das Zentrum. Offene Haufen mit hellen blauen Sternen sind entlang dieser Spiralarme verteilt. Dazwischen sind dunkle Bahnen aus dichtem, interstellarem Staub verteilt.

Weniger gut sichtbar, aber messbar sind Milliarden schwacher, normaler Sterne und gewaltige Bereiche mit interstellarem Gas. Diese enthalten zusammen so viel Masse, dass sie das Kräftespiel der inneren Galaxie bestimmen.

Unsichtbar sind noch größere Mengen Materie in einer Form, die wir nicht einmal kennen. Es ist die überall vorhandene Dunkle Materie, die wir brauchen, um die Bewegungen des Sichtbaren in der äußeren Galaxie zu erklären.

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Muschelgalaxie NGC 7600

Mitten im Bild ist eine Galaxie zwischen dünn gesäten, bunten Sternen. Ihr leicht verschwommener Kern ist von einem diffusen Halo umgeben.

Bildcredit und Bildrechte: Ken Crawford (Rancho Del Sol Observatory); Arbeitsgemeinschaft: Andrew Cooper (MPA), Carlos Frenk, John Helly, Shaun Cole (Institut für computergestützte Kosmologie), David Martinez-Delgado (MPIA), Star Stream Pilot Survey Group

Die elliptische Galaxie NGC 7600 ist ähnlich groß wie die Milchstraße. Sie ist ungefähr 160 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Dieses detailreiche Bild zeigt den Himmel in Richtung des Sternbildes Wassermann. Es ist etwa 1/2 Grad breit und zeigt NGC 7600 mit einem interessanten äußeren Halo aus ineinander verschachtelten Hüllen und ausgedehnten Strukturen, welche die ganze Galaxie umfassen.

Die eindrucksvollen Eigenschaften werden mit einem Zuwachs an Dunkler Materie und Sternen auf einer kosmischen Zeitskala erklärt. Ein Film zeigt die Erscheinung von NGC 7600 erstaunlich detailreich. Er entstand durch die Simulation einer Galaxienbildung anhand eines kosmologischen Modells, bei dem kalte Dunkle Materie für die Halos verschmelzender Galaxien angenommen wurde.

Der Simulationsfilm ist auf Vimeo und in weiteren Formaten verfügbar. Er zeigt Hinweise, dass Merkmale von Galaxienverschmelzungen, die schon mit kleinen Teleskopen auf der Erde zu sehen sind, eine natürliche Folge der Galaxienbildung sowie grundlegende Eigenschaften von Dunkler Materie sind.

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Film mit Dunkler Materie aus der Bolshoi-Simulation

Video-Credit: A. Klypin (NMSU), J. Primack (UCSC) et al., Chris Henze (NASA Ames), Pleiaden-Supercomputer der NASA; Musik (© 2002): Her Knees Deep in Your Mind von Ray Lynch

Stellt euch vor, ihr könnt durch das Universum fliegen und Dunkle Materie sehen! An der Technologie für so einen Flug wird noch gearbeitet. Doch der Technik gelang mit Abschluss der Bolshoi-Kosmologie-Simulation ein großer Schritt bei der Visualisierung so eines Flugs. Nach 6 Millionen CPU-Stunden warf der siebtschnellste Supercomputer der Welt viele wissenschaftliche Neuheiten aus. Eine davon war diese Flugsimulation.

Am Beginn stand eine relativ gleichmäßige Verteilung der Dunklen Materie im frühen Universum. Diese sieht man am Mikrowellenhintergrund und anderen großen Datensätzen des Himmels. Die Bolshoi-Simulation folgte mit dem kosmologischen Standardmodell der Entwicklung des Universums bis zur Jetztzeit. Die Simulation seht ihr oben.

Die hellen Punkte im Video sind Knoten aus eigentlich unsichtbarer Dunkler Materie. Viele Knoten enthalten normale Galaxien. Markant sind lange Fasern und Galaxienhaufen. Sie werden von der Gravitation der Dunklen Materie bestimmt. Statistische Vergleiche zwischen Bolshoi und Himmelskarten von Galaxien zeigen eine hohe Übereinstimmung.

Die Bolshoi-Simulation stützt zwar das Vorhandensein Dunkler Materie. Doch viele Fragen zum Universum bleiben offen: Wie ist Dunkle Materie zusammengesetzt? Was ist die Natur der Dunklen Energie? Wie entstanden die ersten Sterngenerationen und Galaxien?

Astrophysik: Sucht in der Astrophysics Source Code Library
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Abell 2744: Pandoras Galaxienhaufen

Das Bildfeld ist mit Galaxien gefüllt, in der Mitte leuchtet ein intensiv gefärbter Nebel, links unten blau, rechts oben rot, in der Mitte magentafarben.

Bildcredit: NASA, ESA, J. Merten (ITA, AOB) und D. Coe (STScI)

Beschreibung: Warum ist dieser Galaxienhaufen so durcheinander? Von einer gleichmäßigen Verteilung ist Abell 2744 weit entfernt. Er besitzt nicht nur Knoten aus Galaxien. Auch das rot gefärbte, heiße Gas im Haufen, das Röntgenlicht abstrahlt, ist offenbar anders verteilt als die dunkle Materie. Die Masse im Haufen besteht bis zu 75 Prozent aus Dunkler Materie. Sie ist im Bild blau gefärbt.

Die dunkle Materie wurde von dem Material durcheinandergewirbelt, das durch den Gravitationslinseneffekt die Verzerrung der Galaxien im Hintergrund hervorrief. Das Durcheinander stammt anscheinend von einer Zeitlupenkollision von mindestens vier kleineren Galaxienhaufen im Laufe einiger Milliarden Jahre.

Dieses Bild kombiniert Bilder im sichtbaren Licht vom Weltraumteleskop Hubble und dem Very Large Telescope VLT der ESO mit Bildern im Röntgenlicht des Weltraumteleskops Chandra. Abell 2744, der auch Pandorahaufen genannt wird, ist mehr als zwei Millionen Lichtjahre breit. Er ist mit einem wirklich großen Teleskop im Sternbild Bildhauer zu sehen.

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NGC 5584: Das Universum vergrößern

Bildfüllend ist eine Spiralgalaxie mit losen, zerfledderten Spiralarmen abgebildet, in denen sich Büschel aus blauen jungen Sternhaufen befinden. Das Zentrum in der Mitte wirkt relativ klein.

Credit: NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU), L. Macri (Texas A und M Univ.) et al., Hubble-Vermächtnis (STScI/AURA)

Beschreibung:  Die große, schöne Galaxie NGC 5548 hat einen Durchmesser von mehr als 50.000 Lichtjahren. Sie ist 72 Millionen Lichtjahre entfernt und steht im Sternbild Jungfrau (Virgo). Die lose gewundenen Spiralarme des Inseluniversums enthalten viele junge Sternhaufen und dunkle Staubbahnen.

Doch NGC 5548 ist für Astronominnen und Astronomen nicht bloß eine weitere hübsche, von oben sichtbare Spiralgalaxie. NGC 5548 enthält etwa 250 veränderliche Sterne, sogenannte Cepheiden. Außerdem explodierte dort kürzlich eine Supernova vom Typ Ia. Cepheiden und Typ-Ia-Supernovae sind Schlüsselobjekte der astronomischen Entfernungsbestimmung.

NGC 5548 ist eine von acht Galaxien einer neuen Studie, bei der anhand zusätzlicher Beobachtungsdaten des Weltraumteleskops Hubble die Bestimmung der Hubble-Konstante – die Expansionsrate des Universums – verbessert werden soll.

Die Ergebnisse der Studie stärken die Theorie, dass tatsächlich Dunkle Energie für die beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich ist. Dies schwächt Modelle, in denen die beobachtete Beschleunigung ohne die geheimnisvolle Dunkle Energie erklärt wird. Viele der kleinen, rötlichen Flecken auf diesem scharfen Hubble-Bild von NGC 5548 sind weiter entfernte Galaxien.

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Polarring-Galaxie NGC 660

Mitten im Bild schwebt eine seitlich sichtbare, verkrmmte Polarringgalaxie, die von einem Ring aus Sterntrümmern gekreuzt wird. Darum sind Sterne lose verteilt.

Bildcredit und Bildrechte: Stephen Leshin

Beschreibung: NGC 660 liegt mitten in dieser Himmelslandschaft im Sternbild Fische. Sie ist mehr als 20 Millionen Lichtjahre entfernt. Ihre seltsame Erscheinung kennzeichnet sie als Polarring-Galaxie. Mitglieder dieser seltenen Galaxienart besitzen eine beträchtliche Population an Sternen, Gas und Staub, die in Ringen kreisen, welche fast senkrecht zur galaktischen Scheibe stehen.

Diese bizarre Konfiguration könnte durch das zufällige Einfangen von Materie aus einer vorbeiziehenden Galaxie durch die Scheibengalaxie entstanden sein, wobei die eingefangenen Trümmer zu einem rotierenden Ring auseinandergezogen wurden. Mit der Polarring-Komponente kann die Form des an sich unsichtbaren Hofes aus Dunkler Materie erforscht werden, indem der gravitative Einfluss der Dunklen Materie auf den Ring und die Scheibe berechnet wird.

Der Ring von NGC 660 ist breiter als die Scheibe, er umfasst etwa 40.000 Lichtjahre.

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