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Jeder angehende Astronom lernt, dass Sterne in Galaxien aus riesigen
Gaswolken entstehen. Die Details der Akkretion und der Verteilung
dieses Gases in Galaxien ist jedoch noch unklar. Eine internationale
Gruppe von Wissenschaftlern am MPA und bei ASTRON in den Niederlanden
beschloss deshalb gemeinsam das Bluedisk-Projekt durchzuführen, mit
dem der neutrale Wasserstoff kartiert wird und zwar einmal in 25 sehr
gasreichen Galaxien sowie in einer ähnlich großen Stichprobe von
"Kontrollgalaxien" mit ähnlicher Masse, Größe und Entfernung, aber
normalem Gasgehalt. Ihr wichtigstes Instrument hierbei war das
Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) ergänzt durch aufwändige
Computersimulationen (Aktuelle Forschung: Mai 2013).
In den letzten drei Jahrzehnten gab es bereits etliche Versuche, die
Verteilung des kalten atomaren Gases in Galaxien mit
Radio-Synthese-Teleskopen zu vermessen. Die ersten Analysen zeigten,
dass das atomare Gas im Detail eine Vielzahl von unterschiedlichen
Merkmalen aufweist. Diese können mit Unregelmäßigkeiten in der Galaxie
in Verbindung gebracht werden, wie Spiralarmen, Ringen, Balken,
Verzerrungen usw. Untersuchungen von größeren Stichproben ergaben
auch grundlegende Skalierungsrelationen, die Hinweise auf die
Mechanismen liefern, die die Entwicklung der Galaxien regeln.
Im Gegensatz zur Flächendichte der Sterne, die im Zentrum der Galaxie
ansteigt und steil mit zunehmendem Radius abfällt, wird die radiale
Verteilung des atomaren Gas zur Mitte hin oft flach oder sinkt sogar
nahe dem Galaxienzentrum. In den äußeren Bereichen erstrecken sich die
Gasscheiben in der Regel viel weiter nach außen als die stellaren
Scheiben und lassen sich gut durch Exponentialfunktionen
beschreiben.
Dank Verbesserungen bei der Instrumentierung des WSRT und der
Datenanalyse konnten mit dem Bluedisk-Projekt deutlich niedrigere
Säulendichten als bei bisherigen Surveys beobachtet werden, d.h. das
Team war in der Lage, das Gas auch in Regionen zu vermessen, wo es
eine geringe Dichte hat. Damit ist diese Stichprobe auch für den
direkten Vergleich mit theoretischen Modellen gut geeignet. Beobachter
und Theoretiker arbeiteten eng zusammen, um ihr Verständnis für die
radiale Verteilung des kalten atomaren Gases zu verbessern und eine
physikalische Erklärung für seine Struktur zu finden.
Die Studie zeigte eine interessante Besonderheit bei den
Beobachtungen: in den Außenbereichen aller Galaxien folgt die
Oberflächendichte des Gases einem homogenen Profil (sofern die Größen
der Gasscheiben korrekt skaliert werden). Das Profil kann gut durch
eine Exponentialfunktion mit einer universellen Skalenlänge
parametrisiert werden. Dieses universelle Profil scheint für alle
Galaxien zu gelten, unabhängig von ihren stellaren Eigenschaften,
ihrer Gasmasse, Größe oder Morphologie (siehe Beispiele in Abbildung
1). Dies ist bemerkenswert, weil die gasreichen Galaxien im Schnitt
das 10-fache an Gas enthalten wie die Kontrollgalaxien.
Darüber hinaus fand das Team eine überraschend gute Übereinstimmung
zwischen dem beobachteten, universellen Profil und Ergebnissen von
Galaxiensimulationen, sowohl für kosmologische hydrodynamische
Mehrteilchensimulationen mit der „Smoothed Particle
Hydrodynamics“-Methode als auch für
semi-analytische Modelle der Entstehung von Scheibengalaxien (siehe
Abbildung 2). Es ist allerdings rätselhaft, warum die Übereinstimmung
mit den kosmologischen Simulationen dermaßen gut ist.
In den semi-analytischen Modellen folgt die universelle Form der
äußeren Radialprofile direkt aus der Annahme, dass das einfallende Gas
immer exponentiell verteilt ist. Allerdings gibt es bei den
Beobachtungen Hinweise darauf, dass das atomare Gas in Form von
"Ringen" akkretiert werden könnte. Weitere theoretische Arbeiten sind
deshalb im Gange, um zu versuchen mit den hydrodynamischen
Simulationen besser zu verstehen, wie sich Gas in den simulierten
Galaxien im Detail ablagert (siehe Abbildung 3).
Jing Wang & Guinevere Kauffmann
Originalpublikation:
Wang, J.; Fu, J., Aumer, M., Kauffmann, G., et al.,
"An observational and theoretical view of radial distribution of HI gas in galaxies",
2014, submitted to MNRAS
http://arxiv.org/abs/1401.8164
Weiterführende Links:
Das Bluedisk-Projekt
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