Leere Galaxien: Die wahren Inseluniversen

Warum Fische A und B den Schlüssel zum Verständnis der frühen Entwicklung von Zwerggalaxien enthalten könnten.

In den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts war einer der Hauptstreitpunkte in der Astronomie die Natur der Objekte, die wir heute als Galaxien kennen. Einige, wie Harlow Shapely, nannten sie "Spiralnebel" und glaubten, dass sie innerhalb der Grenzen der Milchstraße liegen, während andere, wie Heber Curtis, den Begriff "Inseluniversen" verwendeten, der ein Meer von Galaxien beschreibt, die durch das Universum treiben. Die Antwort auf dieses Rätsel hätte tiefgreifende Auswirkungen auf die Größe des Universums und die Kosmologie insgesamt.

Heute wissen wir, dass Galaxien außerhalb der Milchstraße liegen - das ist nur die Galaxie, in der wir zufällig leben. Sie ähneln jedoch nicht so sehr Inseln, wie manche vielleicht geglaubt haben. Viele Galaxien existieren in Galaxiengruppen oder -clustern mit Zehntausenden oder Tausenden von Mitgliedern. Wir liegen zusammen mit Andromeda und Triangulum in der treffend benannten lokalen Gruppe und sind von einem Schwarm Satellitengalaxien umgeben.

Eine Karte mit Hohlräumen und Superclustern rund um die Milchstraße, die sich auf den Virgo Supercluster konzentriert. Die lokale Leere ist zu klein, um gesehen zu werden. Bildnachweis: Andrew Z. Colvin, unter der Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Unported-Lizenz.

Es gibt natürlich Ausnahmen von dieser Regel; Nicht alle Galaxien sind Teile von Clustern. Tatsächlich lauern einige dunkle Fälle in Hohlräumen, riesigen Regionen mit einem Durchmesser von mehreren zehn Megaparsec, die fast keine Galaxien und nur geringe Mengen an extragalaktischem Gas enthalten. Diese leeren Galaxien sind schwer zu finden, besonders wenn sie dunkel sind. Wenn wir jedoch verstehen, wie sie sich bilden und entwickeln, können wir einen Schatz an Informationen darüber erhalten, wie sich das Universum in großem Maßstab verhält - natürlich beginnend mit Hohlräumen.

Heute reisen wir direkt hinter der lokalen Gruppe an den Rand der lokalen Leere. Hier liegen zwei Zwerggalaxien, Fische A und Fische B. Sie sind klein und dunkel, und wir wissen noch nicht viel über sie, aber was wir wissen, hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Zwerggalaxien.

Gasarme Zwerge und neutraler Wasserstoff

Abbildung 1, Tollerud et al. 2015. Die ursprünglichen Radio- und optischen Bilder der Fische A und B. Die Auflösung ist ziemlich schlecht, ergab aber dennoch anständige Entfernungsmessungen.

Die Fische A und B wurden erst vor wenigen Jahren mit Daten aus der GALFA-HI-Umfrage entdeckt, die am Arecibo-Observatorium durchgeführt wurde (Tollerud et al. 2015). GALFA-HI hat die Emission in der 21-cm-Linie gemessen, einem Schlüsselindikator für neutrale Wasserstoffwolken. Da jede signifikante HI-Emission nur aus gasreichen Regionen stammen kann, ist sie ein schlechtes Instrument zur Erkennung gasarmer Zwerggalaxien in der Nähe der Milchstraße - und eine hervorragende Möglichkeit, Galaxien mit viel Wasserstoffgas und fortlaufender Sternentstehung zu finden.

Nachdem diese beiden Funkquellen identifiziert worden waren, fanden optische Beobachtungen mit dem 3,5-Meter-WIYN-Teleskop sichtbare Gegenstücke. Die Hα-Spektroskopie ergab, dass jede optische Quelle eine nahezu identische Radialgeschwindigkeit wie die entsprechende Funkquelle aufwies, was bestätigte, dass es sich um dieselben Objekte handelte: Zwerggalaxien in Abständen von 1,7 bis 3,5 Mpc (Fische A) und 3,5 bis 8,9 Mpc (Fische) B) Platzieren Sie sie am Rand der lokalen Gruppe.

Die Abweichungen in den Entfernungen entstanden, weil die Gruppe zwei verschiedene Methoden verwendete, um sie zu bestimmen. Wenn wir annehmen, dass die Galaxien von der lokalen Gruppe getrennt sind, können wir das Hubble-Gesetz und die Messungen ihrer Rezessionsgeschwindigkeiten verwenden, um herauszufinden, wie weit sie entfernt sind. Das Team konnte jedoch auch einige junge blaue Sterne in den Galaxien erkennen. Aus ihren scheinbaren Größen kamen sie zu unterschiedlichen - niedrigeren - Werten.

Teil von 3, Tollerud et al. 2015. Beachten Sie, dass die Fische A und B im Vergleich zu den meisten Zwerggalaxien derselben Masse im Wesentlichen wasserstoffreich sind, sodass sie bei HI-Untersuchungen leichter zu erkennen sind.

Rote Riesen: Zuverlässigere Standardkerzen

Ein Jahr später verwendete das Team das Hubble-Weltraumteleskop, um die Galaxien abzubilden (Tollerud et al. 2016). Die Photometrie aus den Beobachtungen führte zu einer dritten, noch genaueren Methode zur Messung der Entfernungen zu den Galaxien: mit der Spitze des roten Riesenastes (kurz TRGB).

Wenn ein roter Riese den Beginn des Triple-Alpha-Prozesses erreicht, steigt seine Leuchtkraft durch einen plötzlichen Fusionsstoß, der als Heliumblitz bezeichnet wird, erheblich an. Während der Blitz selbst kurz ist, dauert die folgende Evolutionsperiode länger und der Stern wird heller und heller und erreicht schließlich einen Punkt, der als Spitze des roten Riesenastes bezeichnet wird. Es stellt sich heraus, dass diese Sterne unabhängig von Masse, Metallizität oder Zusammensetzung grundsätzlich die gleiche Leuchtkraft haben. Dies macht sie zu exzellenten Standardkerzen, genau wie Cepheid-Variablen.

Fig. 1 und 2, Tollerud et al. 2016. Hubble-Bilder der Fische A und B. Während die WIYN-Bilder gut genug waren, um einige Punktquellen zu erkennen, konnte Hubble Bilder mit deutlich höherer Auflösung liefern.

Die Hubble-Photometrie war gut genug, um die TRGB-Methode anwenden zu können, und lieferte Abstände, die mit der Vorstellung übereinstimmten, dass die Fischzwerge außerhalb der lokalen Gruppe liegen: 5,6 bzw. 9,2 Mpc. Mit genauen Entfernungsmessungen konnte die Gruppe weitere Eigenschaften des Paares bestimmen, einschließlich der Leuchtkraft und der gesamten Sternmasse (jeweils etwa 10 Millionen Sonnenmassen).

Was das alles bedeutet

Spannend ist, dass das Team diese Galaxien nun auf einer Karte platzieren konnte. Es stellte sich heraus, dass beide am Rand der lokalen Leere liegen. Leider haben wir keine detaillierten kinematischen Massendaten in die richtigen Richtungen, so dass wir nicht sicher sagen können, dass sich die Fische A und B aus der Leere bewegen. Wir haben jedoch einige Hinweise.

Fig. 12, Tollerud et al. 2016. Eine Karte der nahe gelegenen Galaxien innerhalb von etwa 10 Mpc der Erde. Die lokale Gruppe sitzt winzig und scheinbar kompakt in der Mitte.

Erstens erlebte das Paar vor nicht allzu langer Zeit einen Ausbruch der Sternentstehung. Es ist durchaus plausibel, dass dies durch eine plötzliche Kollision mit den Gasfilamenten ausgelöst wurde, die die Grenzen der lokalen Leere bilden. Darüber hinaus stimmen die HI-Verteilungen mit denen überein, die wir in leeren Galaxien erwarten würden. Schließlich sind diese beiden Galaxien - insbesondere Fische A - kleiner als die meisten sternbildenden Galaxien in der lokalen Gruppe, was bedeutet, dass sie viel kompakter sind. Dies könnte darauf hinweisen, dass sie erst jetzt dieselben Entwicklungspfade einschlagen, die ihre Kollegen in der lokalen Gruppe vor langer Zeit zurückgelegt haben.

Fig. 13, Tollerud et al. 2016. Beachten Sie, dass die Fische A und B viel kleiner sind als die meisten sternbildenden Galaxien, aber viel heller als die meisten passiven (nicht sternbildenden) Galaxien.

Es ist diese letzte Vorstellung, die die Fische A und B besonders aufregend macht. Wenn sie tatsächlich leere Galaxien sind, müssen sie den größten Teil ihres Lebens ungestört in der relativ unberührten Umgebung der lokalen Leere verbracht haben. Dies bedeutet, dass sie wie normale Zwerggalaxien vor Milliarden und Abermilliarden von Jahren aussehen und sich so verhalten könnten. Weniger als 10 Mpc entfernt könnten also Hinweise auf das frühe Leben vieler unserer nächsten Nachbarn geben. Das ist ein ziemlich aufregender Gedanke.