Zwerggalaxien widersprechen dem kosmologischen Standardmodell

Nun könnte man annehmen, dass es geometrische Konstellationen von Filamenten geben muss, die flache Strukturen um Spiralgalaxien begünstigen. Kurz nach Kroupas Entdeckung tauchten solche abgeflachten Galaxienhaufen tatsächlich in den Simulationen auf. Aber sie sind immer noch viel größer als das, was wir in den Zwerggalaxien um die Milchstraße beobachten. Das Satellitenflugzeug ist tatsächlich ungefähr 20 Kiloparsec dick (ein Maß für die in der Astronomie übliche Länge – ein Parsec entspricht ungefähr 3,3 Lichtjahren), während die Filamentdurchmesser 200 Kiloparsec und mehr betragen. Es ist seltsam genug, dass alle Autos nur in der Mitte einer Autobahn mit zehn Fahrspuren fahren. Um solche komprimierten Strukturen zu erklären, müssten die Zwerge nur entlang der Hauptblutgefäße zusammenbrechen. Es gibt keinen erkennbaren physischen Grund dafür.

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Centaurus A | Die Galaxie Centaurus A ist ungefähr 13 Millionen Lichtjahre entfernt. Die Strahlung und die Substanz, die senkrecht zur Staubscheibe ausgesetzt ist, stammen aus einem Schwarzen Loch in der Mitte.

2013 bestimmte ein Team unter der Leitung von Rodrigo Ibata vom Observatoire de Strasbourg die Bewegungen von Zwerggalaxien um die Andromeda-Galaxie. Da die Objekte so weit von uns entfernt sind, können die Positionsänderungen in Teleskopen nicht räumlich gelöst werden. Aber die Wellenlängen ihres Lichts ändern sich messbar, wenn sie uns entlang unserer Sichtlinie bewegen. Der Unterschied ist im Spektrum abhängig von der Geschwindigkeit auf uns zu oder von uns weg – dies ist der bekannte Doppler-Effekt. Glücklicherweise ist der Plan der Zwerggalaxien auf uns gerichtet. Dies bedeutet, dass sich eine Seite zum roten und die andere zum blauen Bereich des Spektrums bewegen muss, wenn sie sich innerhalb dieser Ebene um die Andromeda-Galaxie drehen. Genau das hat die Studie herausgefunden! Auch Zwerggalaxien laufen in einer dünnen Ebene in die gleiche Richtung – wie bei den Gefährten der Milchstraße.

Ein dritter Ausreißer?

Zu dieser Zeit begann ich meine Promotion. in Astronomie an der Universität Basel. Meine Vorgesetzten Bruno Binggeli in Basel und Helmut Jerjen von der National University of Australia in Canberra und ich fragten uns, ob unsere sogenannte lokale Gruppe, die aus der Andromeda-Galaxie und der Milchstraße besteht, einfach ein Ausreißer im kosmologischen Modell ist oder ob andere Galaxienhaufen haben auch solche unerwarteten Eigenschaften. Deshalb haben wir an solchen Orten nach Zwerggalaxien gesucht. Wir begannen mit der Centaurus-Gruppe am südlichen Firmament und verwendeten die Dark Energy Camera für eines der besten Teleskope der Welt in Chile. Die Centaurus-Gruppe besteht wie unsere lokale Gruppe aus zwei großen Galaxien: Centaurus A, eine elliptische Galaxie, und Messier 83, eine Spiralgalaxie ähnlich der Milchstraße. Es gibt auch eine Handvoll Zwerggalaxien. In einer Beobachtungskampagne zwischen 2014 und 2015 haben wir mehr als 500 Quadratmeter am Sternenhimmel gesäubert, um die gesamte Centaurus-Gruppe einzufangen. Dies entspricht einer Fläche von 2000 Vollmonden. Schließlich hatten wir die Anzahl ihrer bekannten Zwerggalaxien verdoppelt.

Gleichzeitig untersuchte ein Team unter der Leitung von Brent Tully vom Institut für Astronomie in Hawaii Zwerggalaxien, die bereits um Centaurus A identifiziert worden waren, und stellte fest, dass diese ebenfalls nicht kugelförmig, sondern eher flach waren. Wir konnten dies an den neu entdeckten Zwerggalaxien überprüfen. Auch bei ihnen sieht das Satellitensystem in Centaurus A relativ flach aus, obwohl es nicht so viel ist wie in der Milchstraße. Dies ist jedoch verständlich, da Centaurus A viel mehr Masse hat und daher im Allgemeinen eine größere Struktur erwartet wird. Als wir die dreidimensionale Anordnung studierten, fiel uns etwas Grundlegendes auf: Der Planet der Zwerggalaxien um Centaurus A hat wie die Andromeda-Galaxie seinen Rand in unserer Sichtlinie. Somit konnten wir hier testen, ob die Zwerggalaxien auf der einen Seite rotverschoben und auf der anderen blauverschoben auftreten, d. H. ob das Satellitensystem in Centaurus A auch aus einer rotierenden Ebene besteht. In der Fachliteratur haben wir bereits Geschwindigkeitsmessungen für 16 der bekannten Zwerggalaxien um Centaurus A gefunden. Wir haben die Positionen und Werte kartiert und waren erstaunt: 14 der 16 Satelliten bewegten sich erwartungsgemäß mit einem rotierenden System. Dies war der dritte der drei bisher untersuchten Fälle, in denen sich Zwerggalaxien nicht gemäß den Modellen verhalten.

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© Oliver Müller (Detail)

Centaurus-A-Zwerge | Die 16 vom Autor untersuchten Zwerggalaxien umkreisen die Galaxie Centaurus A (schwarzer Punkt) ungefähr in einer Ebene: Einerseits bewegen sie sich von uns weg (rote Dreiecke, die Länge der Linien gibt die Geschwindigkeit an), andererseits Seite auf uns zu (blaue Dreiecke).

Mein Kollege Marcel Pawlowski, heute am Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam, verglich Beobachtungen rund um Centaurus A mit den derzeit besten kosmologischen Simulationen. Er fand die gleichen Wahrscheinlichkeiten wie für die Milchstraße – die Situation tritt nur in ca. ein halbes Prozent der berechneten Fälle. Man hätte tatsächlich über eine Million Galaxien beobachten müssen, um die Systeme Milchstraße, Andromeda und Cen-A genau nacheinander zu finden. Waren wir nur sehr glücklich oder steckt mehr dahinter?

Viele Ideen, aber keine heiße Spur

Die Frage, ob solche rotierenden Satellitenstrukturen das kosmologische Modell in schwierige Entfernungen bringen oder ob wir die Bedeutung der Zwerggalaxien überinterpretieren, wurde seitdem in speziellen Kreisen heiß diskutiert. Für Noam Libeskind vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam ist dies beispielsweise eine Besonderheit unserer galaktischen Umwelt. Die drei Galaxien befinden sich am Rand eines großen Hohlraums in der kosmischen Umlaufbahn und scheinen mehr oder weniger mit dieser übereinzustimmen. Die Ausdehnung der Hohlräume könnte flache Bereiche wie einen Ballon begünstigen, dessen Gummihaut beim Aufblasen immer dünner wird. Zusätzlich zur Ausdehnung des Hohlraums verstärkt der massive jungfräuliche Galaxienhaufen den Effekt, da er auch die Ebenen genau von ihren Rändern aus stark zieht. Wie die Rotation durch das kosmische Drücken und Ziehen geschehen könnte, ist immer noch ein offenes Problem. Für Kroupa ist der Fall jedoch klar: Die Simulationen sagen Beobachtungen nicht zufriedenstellend voraus, sodass das zugrunde liegende Modell der dunklen Materie falsch sein muss.

Bessere Computerberechnungen haben das Problem auf Satellitenebene noch nicht gelöst, wie es bei den fehlenden Satelliten erreicht wurde. Im Gegenteil, die Wahrscheinlichkeit solcher rotierenden Schichten von Zwerggalaxien wurde noch geringer. Andererseits kann das Modell noch viele andere Phänomene sehr genau beschreiben – und aufgrund von Inkonsistenzen muss die gesamte Kosmologie nicht über Bord geworfen werden.

Was passiert als nächstes? In einer Beobachtungskampagne mit dem größten optischen Teleskop der südlichen Hemisphäre, dem Very Large Telescope, beobachten wir zusammen mit Marina Rejkuba, Michael Hilker und Katja Fahrion am European Southern Observatory andere Zwerggalaxien um Centaurus A. Wir wollen prüfen, ob die Beispiele, die wir gefunden haben, der gleichen Weise sind. Andere Experten suchen ebenfalls nach Zwerggalaxien in weiter entfernten Galaxien und haben sogar Hinweise auf Ereignisse in Flugzeugen gefunden. Genauere dreidimensionale Positionsmessungen helfen, die rotierenden Systeme zu verstehen. Wir versuchen auch zu überprüfen, ob sie mit dem Standardmodell der Kosmologie kompatibel sind. Eine unserer Ideen: Riesige Galakollisionen können das Phänomen verursachen. Zumindest Centaurus A hat gerade einen gehabt. Darüber hinaus suchen wir nach Ansätzen, die entweder die Eigenschaften der Dunklen Materie im Standardmodell ändern – oder sogar die Gravitationstheorie.

Auf jeden Fall ist in den letzten Jahrzehnten eines klar geworden: Wenn wir das Geheimnis der dunklen Materie lösen wollen, müssen wir die seltsamen Phänomene verstehen, die die Zwerggalaxien umgeben. Weil wir gerade erst im Universum begonnen haben, Licht in seinen kleinsten Strukturen in die Dunkelheit zu bringen.

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