Leere Galaxien: Die wahren Inseluniversen

Warum Fische A und B den Schlüssel zum Verständnis der frühen Evolution von Zwerggalaxien darstellen könnten.

In den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts war die Natur der Objekte, die wir heute als Galaxien kennen, einer der Hauptstreitpunkte in der Astronomie. Einige, wie Harlow Shapely, nannten sie "Spiralnebel" und glaubten, dass sie sich innerhalb der Grenzen der Milchstraße befänden, 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 - genau in dieser Galaxie leben wir zufällig. Allerdings ähneln sie Inseln nicht so sehr, wie manche vielleicht geglaubt haben. Viele Galaxien existieren in Galaxiengruppen oder -haufen mit Zehntausenden von Mitgliedern. Wir befinden uns zusammen mit Andromeda und Triangulum in der treffend benannten lokalen Gruppe und sind von einem Schwarm von Satellitengalaxien umgeben.

Eine Karte von 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 Dutzenden von Megaparsekunden Durchmesser, die fast keine Galaxien und nur geringe Mengen extragalaktischen Gases enthalten. Diese leeren Galaxien sind schwer zu finden, besonders wenn sie dunkel sind. Wenn wir jedoch wissen, wie sie sich bilden und entwickeln, können wir einen Schatz an Informationen darüber finden, wie sich das Universum in großem Maßstab verhält - natürlich beginnend mit Lücken.

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 Erforschung der Entstehung und Entwicklung von Zwerggalaxien.

Gasarme Zwerge und neutraler Wasserstoff

1, Tollerud et al. 2015. Die originalen Radio- und optischen Bilder der Fische A und B. Die Auflösung ist ziemlich schlecht, liefert aber immer noch gute Entfernungsmessungen.

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 maß die Emission in der 21-cm-Linie, einem Schlüsselindikator für neutrale Wasserstoffwolken. Da jede signifikante HI-Emission nur aus gasreichen Regionen stammen kann, ist es ein schlechtes Werkzeug zum Auffinden von gasarmen Zwerggalaxien in der Nähe der Milchstraße - und eine hervorragende Möglichkeit, Galaxien mit viel Wasserstoffgas und fortschreitender 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 Radioquelle aufwies, was bestätigte, dass es sich um die gleichen Objekte handelte: Zwerggalaxien in Entfernungen 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 bei den Entfernungen sind entstanden, weil die Gruppe zwei verschiedene Methoden zur Bestimmung der Entfernungen verwendet hat. 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; Ausgehend von ihren scheinbaren Größen kamen sie auf unterschiedliche - niedrigere - Werte.

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

Rote Riesen: Zuverlässigere Standardkerzen

Ein Jahr später bildete das Team die Galaxien mit dem Hubble-Weltraumteleskop ab (Tollerud et al. 2016). Die Photometrie aus den Beobachtungen führte zu einer dritten, noch genaueren Möglichkeit, die Abstände zu den Galaxien zu messen: 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 Schmelzstoß, der als Heliumblitz bezeichnet wird, erheblich an. Während der Blitz selbst kurz ist, dauert die folgende Entwicklungsperiode länger, und der Stern wird heller und heller und erreicht schließlich einen Punkt, der als Spitze des roten Riesenzweigs bezeichnet wird. Es stellt sich heraus, dass diese Sterne grundsätzlich die gleiche Leuchtkraft haben, unabhängig von Masse, Metallizität oder Zusammensetzung. 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 einer deutlich höheren Auflösung liefern.

Die Hubble-Photometrie war gut genug, um die TRGB-Methode anwenden zu können, und lieferte Entfernungen, die der Vorstellung entsprechen, dass die Zwerge der Fische 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 Rande der lokalen Leere liegen. Leider haben wir keine detaillierten kinematischen Bulk-Daten in die richtige Richtung, sodass wir nicht sicher sagen können, ob sich die Fische A und B aus dem Nichts bewegen. Wir haben jedoch einige Hinweise.

Fig. 12, Tollerud et al. 2016. Eine Karte von Galaxien in der Nähe bis zu einem Abstand von ca. 10 Mpc zur Erde. Die lokale Gruppe sitzt winzig und scheinbar kompakt in der Mitte.

Erstens erlebte das Paar vor kurzem einen Ausbruch der Sternentstehung. Es ist durchaus plausibel, dass dies durch eine plötzliche Kollision mit den Gasfäden 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 beide Galaxien - insbesondere Fische A - kleiner als die meisten sternbildenden Galaxien in der lokalen Gruppe, was bedeutet, dass sie viel kompakter sind. Dies könnte darauf hindeuten, dass sie erst jetzt die gleichen Entwicklungspfade einschlagen, die ihre Kollegen in der lokalen Gruppe vor langer Zeit eingeschlagen haben.

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

Es ist dieser letzte Gedanke, der 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 aussehen und sich so verhalten könnten, wie sie vor Milliarden und Abermilliarden von Jahren waren. Weniger als 10 Mpc entfernt könnten also Hinweise auf das frühe Leben vieler unserer nächsten Nachbarn liegen. Das ist ein ziemlich aufregender Gedanke.