Galaktische Fossilienjagd

Wenn Astronomen in den Himmel blicken, blicken sie auch in die Vergangenheit. Wenn Wissenschaftler also eine Galaxie beobachten, die eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt ist, sehen sie auch, wie das Sternensystem vor einer Milliarde Jahren erschien, weil das Licht der Galaxie eine Milliarde Jahre brauchte, um ihre Instrumente zu erreichen. Dies verwandelt Teleskope in Zeitmaschinen, mit denen Astronomen die alte kosmische Geschichte erforschen können. Im Gegensatz zu erdgebundenen Archäologen, die alte Gesteine untersuchen, untersuchen Astronomen jedoch Fossilien aus Urlicht.

• Anfängerleitfaden zum LCDM-Universum
  Ist es möglich, dass sich ferne Galaxien schneller als die Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen? Sehen Sie sich ein genaues Bild des Universums an, das auf dem Lambda-Modell für kalte Dunkle Materie basiert, dem heute besten kosmologischen Modell.
• Quelle: CassiopeiaProject

Der Ursprung und die Entwicklung von Galaxien sind zwei der am aktivsten erforschten Gebiete der Astrophysik. Ein überwältigendes Gewicht von Beweisen hat Kosmologen davon überzeugt, dass das Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt vor etwa 13,6 Milliarden Jahren in Form eines superheißen, superdichten Feuerballs energetischer Strahlung entstand, der als Urknallereignis bekannt ist.
Heute ist das Lambda Cold Dark Matter (oder LCDM) -Modell die neueste Inkarnation unseres Verständnisses über den Ursprung des Kosmos. Es stellt eine Verbesserung der Urknalltheorie dar, indem es postuliert, dass der größte Teil der physischen Substanz im Universum aus einem Material besteht, das Dunkle Materie genannt wird.
Obwohl sie mit aktuellen Instrumenten nicht nachgewiesen werden kann, glauben Kosmologen, dass dunkle Materie aus kalten, sich langsam bewegenden Teilchen besteht, die keine elektromagnetische Strahlung emittieren oder Licht streuen, daher erscheinen sie auch dunkel. Der Gravitationseffekt dunkler Materie kann jedoch auf sichtbares Material wie Galaxien und Beobachtungen von Hintergrundstrahlung beobachtet werden.

• Klumpiges frühes Universum
  In dieser Computersimulation des frühen Universums, die auf der Lambda-Theorie der kalten Dunklen Materie basiert, verschmelzen kleine Halos der dunklen Materie. Überstunden, die Fusionen produzieren eine Proto-Galaxie.

Das Lambda im Namen der Theorie erklärt das Vorhandensein dunkler Energie, einer hypothetischen Kraft, die die Expansion des Universums zu beschleunigen scheint. Die Theorie wurde ursprünglich 1984 von den US-Physikern Joel R. Primack, George Blumenthal und Sandra Moore Faber veröffentlicht. Heute wird es auch als kosmologisches Standardmodell bezeichnet.

Nach der LCDM-Theorie war das Universum unmittelbar nach dem Urknall intensiv heiß, bemerkenswert glatt und im Wesentlichen homogen. Jedoch begannen kleine Schwankungen in der Dichte, weniger als ein Teil in hunderttausend, zu erscheinen und zu wachsen. Als sich das Universum abkühlte, begannen Klumpen dunkler Materie zu kondensieren und in ihnen bildeten sich Gasmoleküle. Zu diesem Zeitpunkt bestand das Universum fast ausschließlich aus Wasserstoff, Helium und dunkler Materie. Dies ist der Zeitraum, in dem die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung emittiert wurde.
Das Gas und die dunkle Materie wurden gravitativ von den Bereichen höherer Dichte angezogen und bildeten Halos, die die Samen für die ersten Galaxien darstellten. Als die Halos massiver wurden, begannen sie unter ihrem eigenen Gewicht zusammenzubrechen und wurden zu Protogalaxien. Bald darauf begannen Wasserstoff und Helium in den Halos die ersten Sterne zu bilden. Dann verschmolzen die Halos im Laufe der Zeit zu immer größeren Galaxien.

• Ringe und Bögen sind nicht die einzigen Beweise für eine alte Satellitenverbindung. Diese Animation simuliert die Verschmelzung zahlreicher Begleitgalaxien und zeigt, dass auch Federn, Speere, Stacheln und Muscheln, die die Primärgalaxie umgeben, möglich sind.
• Modell Animation Kredit: James Bullock (UC Irvine)

Computersimulationen haben es Theoretikern ermöglicht, die Entwicklung der Materie im Universum von kurz nach dem Urknall bis vor kurzem zu verfolgen. Diese Simulationen behaupten, dass die Galaxienbildung in Gegenwart kalter dunkler Materie hierarchisch abläuft – die ersten Galaxien, die sich bilden, sind kleine Zwerge und diese verschmelzen anschließend zu immer größeren Sternsystemen. Daher müssen große Galaxien wie die Milchstraße im Laufe der Zeit hundert oder mehr kleine Zwerggalaxien verbraucht haben. Viele von ihnen sind jedoch möglicherweise so gründlich mit den Sternen ihrer Muttergalaxie vermischt, dass sie nicht mehr leicht zu identifizieren sind.
Verschmelzung im Himmel
Die spektakulärste Manifestation dieses Prozesses könnte die Verschmelzung vergleichbar großer Galaxien in einem Prozess sein, der als große Verschmelzung bekannt ist. Diese Ereignisse führen oft zur Zerstörung des Spiralmusters in beiden verschmelzenden Galaxien. Große Fusionen können auch Sternenausbrüche auslösen. Solche Ereignisse waren in den letzten paar Milliarden Jahren relativ selten und nur ein kleiner Prozentsatz großer Galaxien ist zu irgendeinem Zeitpunkt an einer laufenden großen Fusion beteiligt.

Es wird jedoch erwartet, dass kleinere Fusionen, die die Störung einer Zwergsatellitengalaxie durch einen viel massereicheren Begleiter beinhalten, signifikant häufiger auftreten. Nach dem LCDM-Modell sollten heute noch kleinere Fusionen stattfinden. Da die Sternscheibe des größeren Partners während einer geringfügigen Fusion nicht zerstört wird, sollten Anzeichen für jüngste oder anhaltende Ereignisse um viele Spiralen, die häufigste Art großer Galaxien, sichtbar sein.
Kosmische Brotkrumen

• Sagittarius Dwarf Galaxy
  Der Sagittarius-Gezeitenstrom der Milchstraße erstreckt sich vom dichten ‘Kern’ des Sagittarius-Zwergs, wickelt sich um die Galaxie und steigt durch den Sonnenstand ab.
• Animation credit David Law / University of Virginia

Die Ebbe und Flut der Gezeiten entsteht, wenn der Mond unseren Planeten und seine Ozeane unterschiedlich anzieht. In ähnlicher Weise verformt eine große Spirale eine umlaufende Satellitengalaxie, indem sie auf einer Seite einen stärkeren Zug ausübt als auf der anderen. Dabei werden einige der Sterne des Satelliten wie eine Spur von Semmelbröseln entfernt, die einen Fossilienbestand in Form einer stellaren Gezeitenstruktur hinterlassen. Während ihrer Verschmelzung können Sterne aus einer Satellitengalaxie in lange Ströme gezogen, in riesigen Trümmerschalen abgelagert oder in riesige schirmförmige Strukturen gefegt werden, die die Muttergalaxie umgeben und wie ein gigantisches kosmisches Relikt mehrere Milliarden Jahre lang nachweisbar bleiben.
Der Nachweis des ersten Sternstroms wurde in den 90er Jahren in der Milchstraße entdeckt. Diese kleine Satellitengalaxie, die als Sagittarius-Zwerg-Elliptik bekannt ist, umkreist senkrecht zur breiten Sternebene der Milchstraße unsere Galaxie. Bei jedem Durchgang durch die Scheibe werden Sterne entfernt und bilden einen dünnen Strom.
Seit der Entdeckung der Sagittarius-Zwerggalaxie wurden über 15 Sternströme im Halo unserer Heimatgalaxie und 4 in der Andromeda-Galaxie, unserem nächsten galaktischen Nachbarn, entdeckt.
Hinweise auf Gezeitenströme jenseits der lokalen Gruppe waren jedoch bis vor kurzem meist anekdotisch.

• Galaxie in einer Blase. NGC3521 befindet sich etwa 35 Millionen Lichtjahre in der Entfernung zum nördlichen Sternbild Löwe. Dieses neue Tiefenbild zeigt mehrere Trümmerschalen, die auf frühere Verschmelzungen mit einer oder mehreren Satellitengalaxien hinweisen.
• Bildnachweis: R. Jay GaBany Cosmotography.com

Jenseits der lokalen Gruppe
Seit sechs Jahren leitet Dr. David Martínez-Delgado vom Max-Planck-Institut für Astronomie ein internationales Team von Profi- und Amateurastronomen, die nach Sternströmen um acht nahe gelegene Spiralen jenseits der lokalen Gruppe suchen, indem sie ultratiefe Bilder analysieren, die mit handelsüblichen Instrumenten bescheidener Größe erzeugt wurden. Ihre Bemühungen führten zur Entdeckung von sechs ausgedehnten Sternstrukturen, die mehrere der untersuchten Galaxien umgeben. Diese bisher unentdeckten Merkmale wurden als Trümmer von gezeitenstörten Satelliten interpretiert. Darüber hinaus bestätigten und verdeutlichten ihre Forschungen mehrere enorme Sternmerkmale, die zuvor berichtet, aber nie als fossile Beweise für geringfügige Fusionen interpretiert worden waren.

• Die Schirmgalaxie NGC4651 befindet sich im Sternbild Coma Berenices und ist etwa 35 Millionen Lichtjahre von unserem Planeten entfernt. Diese neue Ansicht zeigt Hinweise auf frühere Verschmelzungen mit einer oder mehreren Satellitengalaxien.
  Die Hülle aus Sternentrümmern, die anscheinend von einem schmalen Gezeitenspeer durchbohrt wurde, stimmt mit Vorhersagen überein, die auf dem Standardmodell basieren.
• Bildnachweis: R. Jay GaBany Cosmotography.com

Die Menge der Galaxien zeigte unerwartete, sehr unterschiedliche Eigenschaften wie große kreisförmige Merkmale, die dem Sagittarius-Strom der Milchstraße ähneln, entfernte Schalen und riesige Wolken von Gezeitentrümmern sowie enorme jet-ähnliche Merkmale, die aus galaktischen Scheiben hervorgehen. Zusammen mit den Überresten bereits gestörter Begleiter erfassten die Beobachtungen auch überlebende Satelliten, die von Gezeitenstörungen betroffen waren.
Anfang 2011 wurde ein neues Bild von NGC 3521 fertiggestellt, das die ursprünglich für die Durchmusterung gesammelten Daten verbessert. Dieses Sternsystem befindet sich 35 Millionen Lichtjahre von unserem Planeten entfernt in Richtung des nördlichen Sternbildes Löwe und wurde aufgrund der enormen Menge an Material, das seine Spiralstruktur teilweise verdeckt, klassisch als flockige Galaxie eingestuft.
Das neue ultratiefe Bild zeigt jedoch Hinweise auf eine oder mehrere frühere Fusionen mit Zwerggalaxien, die erkennbare Unterstrukturen hinterließen, wie eine fast kugelförmige Trümmerwolke, die auf ihrer Ostseite sichtbar ist, und eine große, längliche Wolke im Westen. Beide stellen Trümmerschalen dar, die zu einer schirmartigen Struktur gehören, ähnlich der in Bildern VONNGC 4651. Aber, Ihr lockereres Aussehen deutet darauf hin, dass sie in der Vergangenheit viel weiter akkretiert wurden. Darüber hinaus ist die Galaxie von einer Blase aus mehreren Trümmerschalen umgeben, die weitere Beweise für alte Fusionen darstellen könnten.
Es wurde auch gezeigt, dass andere flockige Galaxien Sternstromreste aufweisen, wie NGC 5055 (M63), was einige zu Spekulationen veranlasst, dass dieses Phänomen mit früheren kleineren Fusionen zusammenhängen könnte.
Ein Vergleich mit Computersimulationen bestätigte die außerordentliche Vielfalt der Strukturen, die das Delgado-Team entdeckte. Die Existenz der Gezeitenmerkmale um entfernte Galaxien, die unter allen anderen Aspekten normal zu sein scheinen, und ihre Übereinstimmung mit den LCDM-Simulationen stellten neue Beweise dafür dar, dass das Standardmodell auch für entfernte Galaxien ähnlich der Milchstraße gilt.
Wie kosmische Archäologen graben Astronomen uraltes Licht aus, um die Wahrheit über die Geburt und Entwicklung von Galaxien aufzudecken. Sternströme, Relikte des hierarchischen Fusionsprozesses, der von der LCDM-Theorie vorhergesagt wurde, wurden zuerst in der Milchstraße und anderen Galaxien in der lokalen Gruppe identifiziert. Jetzt wurden ähnliche Strukturen in viel weiter entfernten Galaxien gesehen. Zusammengenommen stützen diese Beobachtungen die derzeit beste Theorie, die erklärt, wie das Universum und alles darin entstand und sich bis heute entwickelte.
Das Buch der wissenschaftlichen Erkenntnisse ist jedoch auf losen Blattseiten geschrieben, die überarbeitet, neu sortiert und manchmal im Laufe der Zeit entfernt werden, wenn neue Informationen ausgegraben werden. Deshalb, im Gegensatz zu erdgebundenen Fossilien, Nichts Kosmologisches sollte als in Stein geätzt betrachtet werden, da direkt über unserem Horizont immer etwas Neues ans Licht kommt.
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