Untersuchung von Galaxien im Sloan Digital Sky Survey

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Das Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) ist eines der drei deutschen astronomischen Institute das am Sloan Digital Sky Survey (SDSS) beteiligt ist. Das SDSS ist das ambitionierteste astronomische Durchmusterungs Projekt das bisher begonnen wurde. Das Teleskop befindet sich am Apache Point Observatorium in Neu Mexico. Das 3.5-Meter Mehrzweckteleskop (Abb. 1) weist mehrere innovative Besonderheiten auf, wie Fernsteuerbarkeit, die Möglichkeit schnell die Instrumente zu wechseln, eine leichte Bauweise und einzigartige Fähigkeit den Himmel zu überwachen.

Abbildung 1: Das SDSS Teleskop vor dem atemberaubenden Steilabfall der Sacramento Mountains.

Das Sloan Digital Sky Survey wird ein Viertel der gesamten Himmelskugel aufnehmen und dabei die Positionen und absoluten Helligkeiten von über 100 Millionen Objekten bestimmen. Ausserdem wird es die Entfernungen zu über einer Millionen Galaxien und Quasare ermitteln. Dies wird eine dreidimensionale Karte des Universums liefern deren Volumen etwa 100 Mal grösser ist als die bereits bekannten. Diese Karte wird enthüllen wie gross die grössten Strukturen im Universum wirklich sind und wie sie aussehen. Es wird helfen zu verstehen wie Galaxien wie unsere Milchstrasse sich aus den kleinen Dichtefluktuationen kurz nach dem Urknall gebildet haben.

Abbildung 2: Eine "Scheibe" aus der dreidimensionalen Galaxien- und Quasarverteilung. Der Beobachter auf der Erde befindet sich im Zentrum des Kreises. Die Entfernung vom Zentrum des Kreises entspricht dem Logarithmus der Rotverschiebung der Galaxie. In diesem Diagram werden die Positionen von 76576 Objekten (weniger als 10% der endgültigen Durchmusterung) gezeigt. Schwarze Punkte stehen hier für Galaxien der spektroskopischen Durchmusterung, rote Punkte für Galaxien des Luminous Red Galaxy Surveys und blaue für Quasare.

Anfang 2001 trat das MPA der SDSS Kollaboration als Partner bei. Eine Gruppe von Astrophysikern ist zur Zeit intensiv damit beschäftigt die Galaxienspektren die im Rahmen der Durchmusterung bestimmt worden sind zu analysieren.

Abbildung 3: Das Spektrum einer typischen Emissionslinien-Galaxie in der SDSS Himmelsdurchmusterung.

Um die Entfernungen zu den Himmelsobjekten zu bestimmen müssen die SDSS Astrphysiker zu jeder beobachteten Galaxie zurückkehren und mit einem so genannten Spektrographen vermessen. Dieses Gerät ist im wesentlichen ein gigantisches Prisma, welches das Licht in seine Farben zerlegt. Es bestimmt wieviel Licht von jeder Farbe das Objekt ausgesandt hat. Während der Ausdehnung des Universums wuren die Wellenlänge des Lichts von der Galaxie auf seiner Reise zu uns gestreckt. Dieses Streckung wird die Rotverschiebung des Lichts genannt. Indem die Astrophysiker die Rotverschiebung von jeder Galaxie bestimmen können sie die Entfernung zu der Galaxie messen und so dreidimensionale Karten erstellen. Ein Beispiel eines typischen Galaxienspektrums zeigt Abb.3. Das Spektrum ist nicht "glatt" sondern enthält viele "spitze" Merkmale, die durch die Absorption oder Emission von Licht verschiedener Atome wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel etc. verursacht wurden. Durch die Untersuchung dieser Merkmale in dem Spektrum einer Galaxe können Astrophysiker nicht nur die Entfernung zu dem Objekt bestimmen sondern auch viel über die physikalischen Bedingungen innerhalb der Galaxie in Erfahrung bringen, wie beispielsweise die Alter und Massen der Sterne dieser Galaxie, die Rate mit der neue Sterne gebildet werden, die Menge von Metallen die duch Supernovaexplosionen erzeugt wurden sowie die Menge des Sternenlichts das in dichten Molekülwolken absorbiert wurde.

Abbildung 4: Die Metallizitäten der Galaxien als Funktion ihrer Sternmassen für ungefähr 20000 Emissionslinien-Galaxien der SDSS Durchmusterung. Die Metzllizität der Sonne hat in diesem Diagramm einen Wert von 12+log(O/H)=8.8 auf der y-Achse.

In Abb. 4 sind einige der ersten Ergebnisse einer Zusammenarbeit zwischen C. Tremonti und T. Heckman der John Hopkins Universität in Baltimore sowie G. Kauffmann und S. Charlot am MPA zu sehen. Für eine Auswahl von 20000 Emissionslinien-Galaxien des SDSS wurden Sternmassen und Metallizitäten berechnet. Dieses Ergebnis zeigt dass unterhalb einer Sternmasse von 10¹⁰ Sonnenmassen diese stark mit den Sternmetallizitäten korreliert sind. Diese Korrelation ist stärker als diejenige mit optischer Helligkeit die bereits zuvor veröffentlicht gewesen war. Bei Sternmassen grösser als 10¹⁰ Sonnenmassen wird die Kurve flach bei einem Wert welcher der Metalizität der Sonne entspricht. Dieser "Umschlag" ist schon seit langem eine Vorhersage klassischer Modelle mit galaktischen Winden. In diesen Modellen ist der Anteil der Metalle die in von Supernovae getriebenen Winden ausgestossen werden umgekehrt proportional zu der Tiefe des Potentialwalls der Galaxie. Ab einer bestimmten "Grenzmasse" können Galaxien keine weiteren Metalle mehr ausstoßen und die Galaxie ist ein "geschlossenes System". Dann wird die Metallizität der Menge der schweren Elemente die pro Sternmasseneinheit erzeugt werden entsprechen. Dies ist in etwa der Wert der Sonnenmetallizität unter der Annahme einer typischen Funktion für die Verteilung der Sternmassen in einer Galaxie. Die Entdeckung einer Grenze unter der Galaxien einen wesentlichen Teil ihrer Metalle, und vielleicht ihres interstellaren Mediums, ausstoßen kann hat wichtige Auswirkungen auf das Verständnis einger ganzer Reihe astrophysikalischer Phänomene, darunter die Geschichte der Sternentstehung in Galaxien und die chemische Anreicherung des intergalaktischen Mediums als Funktion der kosmischen Epoche.

Guinevere Kauffmann


Weitere Informationen:

• SDSS website