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  Aktuelle Forschung :: Juni 2014 Zur Übersicht

Stellare Halos zeigen wie Galaxien wachsen: Die Großen fressen die Kleinen

Galaxien enthalten nicht nur "selbstgemachte" Sterne sondern auch eine recht großen Anteil an Sternen, die aus anderen Galaxien akkretiert wurden, wie eine neue Analyse der SDSS-Bilder vor kurzem zeigte. Die Wissenschaftler am MPA "stapelten" eine große Anzahl einzelner Galaxienbilder, um das schwache Licht des stellaren Halos von fernen Galaxien sichtbar zu machen. Für die massereichsten Galaxien des frühen Typs erreicht der Anteil der akkretierten Sterne im stellaren Halo bis zu 70%.

Fig. 1: Oben: Bild von einer einzelnen SDSS-Galaxie, die in einen Stapel eingeht. Unten: Der Stapel der Galaxien frühen Typs im höchsten Massenbereich. Die Konturen zeigen die Elliptizität, die bei verschiedenen Abständen vom Zentrum gemessen wurde. Bei dem Bild der einzelnen Galaxie sind nur die zentralen Regionen mit einer hohen Helligkeit sichtbar, die äußeren Bereiche werden durch Rauschen dominiert. Ein typisches Einzelbild bei SDSS ermöglicht es, eine Tiefe von bis zu 26 Magnituden pro Quadratbogensekunde zu erreichen; unser gestapeltes Bild erreicht fast 32 Magnituden pro Quadratbogensekunde im R-Band.

Fig. 2: Der Anteil an akkretiertem Sternlicht für Galaxien des frühen Typs als Funktion der Galaxienmasse.

Fig. 3: Wie Abb. 2 für die späten Galaxien. Hier ist der gleiche Trend ersichtlich, auch wenn der Anteil des akkretierten Sternlichts insgesamt viel kleiner ist.

Fig. 4: Der stellare Halo von Messier 63. (aus Martinez-Delgado et al. 2010, The Astronomical Journal, 140, 962)

Tiefe, photometrische Beobachtungen des lokalen Universums zeigten in den letzten Jahren, dass Galaxien von einem sogenannten "stellaren Halo" umgeben sind, einer Gruppe von Sternen, die sich in Entfernungen von bis zu 100 kpc und mehr vom Zentrum der Galaxie befinden. Diese stellaren Halos bestehen aus Feldsternen, älteren Kugelsternhaufen und Sternen, die aus einfallenden Satellitengalaxien abgestreift wurden. Allerdings sind diese stellaren Halo oft zu lichtschwach, um sie mit den heutigen bildgebenden Methoden beobachten zu können.

Bei unserer eigenen Galaxie konnten die einzelnen Sterne dieses Halos mit Hilfe des SDSS-Surveys in einer Entfernung von bis zu 50 kpc vom galaktischen Zentrum aufgelöst werden. Darüber hinaus gibt es auch tiefe Aufnahmen von benachbarten Galaxien im lokalen Universum, die den integrierten Lichtschein der stellaren Halos enthüllten. Für große, detaillierte Studien dieser stellaren Halos sind jedoch viele weitere Beobachtungen nötig. Leider können wir mit den jetzigen Teleskopen und mit zumutbaren Integrationszeiten nur die stellaren Halos von nahen Galaxien nachweisen.

Ein alternativer Ansatz zur tiefen Beobachtung vieler einzelner Galaxien wäre es, eine große Anzahl von Bildern ähnlicher Galaxien zu stapeln. Die richtigen Daten für diese Aufgabe liefert SDSS mit fast 60.000 Galaxien in ihrem spektroskopischen Katalog, für die genaue Rotverschiebungen und Sternmassen zur Verfügung stehen. Auch wenn die stellaren Halos der einzelnen Galaxien nicht direkt in den photometrischen Bildern beobachtet werden können, erhöht sich durch das Stapeln dieser Bilder das Signal-zu-Rauschverhältnis. Damit kann der durchschnittliche stellare Halo der Galaxien als Funktion von verschiedenen Galaxieneigenschaften untersucht werden.

Die Theorie der Galaxienbildung durch hierarchische Verschmelzungen sagt nicht nur voraus, dass Galaxien an Größe und Masse durch kleinere Fusionen anwachsen, sondern auch dass diese Verschmelzungen zum stellaren Halo führen. Dies impliziert, dass die stellaren Halos aus Sternen bestehen, die nicht in der gleichen Galaxie (in-situ) geboren wurden, sondern aus Sternen der kleineren, akkretierten Galaxien (die akkretierte Komponente).

Die Studie der stellaren Halos von Galaxien gibt uns wichtige Punkte, um die Theorie der Galaxienbildung weiter einzuschränken. So ist zum Beispiel der Anteil der Sternmaterie aus anderen, akkretierten Galaxien eine wichtige physikalische Einschränkung für die Theorie der Galaxienentstehung. Darüber hinaus enthalten die lokalen Überdichten im stellaren Halo einer Galaxie oft wichtige Hinweise auf die Akkretionsgeschichte der einzelnen Galaxie, da aufgrund der geringen Dichte und der großen Relaxationszeiten der Sterne im stellaren Halo Informationen aus der frühen Vergangenheit erhalten bleiben.

Eine Vielzahl von theoretischen Simulationen sind durchgeführt worden, mit denen wir die Bildung von stellaren Halos besser verstehen können. Insbesondere wurden hier am MPA Teilchen-Simulationen durchgeführt, mit denen die stellaren Halos einer Vielzahl von Galaxien samt den akkretierten Anteilen vorhergesagt werden können. Obwohl die genauen Eigenschaften der stellaren Halos von der individuellen Akkretionsgeschichte einer Galaxie abhängt, kann man die durchschnittlichen Eigenschaften der stellaren Halos von Galaxien als Funktion Masse im Halo aus Dunkler Materie, als Funktion der Sternmasse oder als Funktion anderer Eigenschaften der Galaxie vorhersagen.

Um diese Theorien näher einzuschränken, benötigen wir Beobachtungen der stellaren Halos einer großen Anzahl von Galaxien oder alternativ, wie oben erwähnt, die "gestapelten" Bilder. In unserer Arbeit verwendeten wir SDSS-Bilder von Galaxien mit verschiedenen Sternmassen und teilten sie in frühe Typen und späte Typen. In jedem Stapel befinden sich im Schnitt fast 3000 Galaxien. Vor dem Stapeln wurde jedes Galaxienbild zu einer einheitlichen Rotverschiebung (z = 0.1) transformiert und entlang der Hauptachse ausgerichtet. Andere Galaxien und Sterne im Bild wurden maskiert.

Die gestapelten Bilder der Galaxien zeigen dann einen zusätzlichen Lichtschein, der sich auf fast 100 kpc Entfernung erstreckt (siehe Abb. 1). Unsere Analyse zeigt, dass diese zusätzliche Lichtmenge im stellaren Halo eine starke Funktion der Sternmasse ist: die stellaren Halos größerer Galaxien sind weiter ausgedehnt als bei kleineren Galaxien. Ebenso haben frühe Galaxien einen größeren stellaren Halo als Galaxien des späten Typs. Auch die Elliptizität des stellaren Halos ist eine Funktion der Sternmasse und die Halos früher Galaxien sind elliptischer als bei späten Galaxien.

Um die stellaren Halos der gestapelten Galaxie näher zu charakterisieren, modellieren wir die zweidimensionale Lichtverteilung mit einem ''Sersic-Profil" (das im Jahre 1963 veröffentlicht wurde). Diese allgemeine mathematische Funktion beschreibt die radiale Lichtstärkeverteilung einer breiten Anzahl von Galaxientypen. Ursprünglich konnte man mit diesem Profil eine gute Übereinstimmung erzielen, die tieferen, hochaufgelösten Daten mit neueren Teleskopen und Instrumenten zeigten aber oft Abweichungen vom Sersic-Profil.

Für unsere gestapelten Bilder finden wir, dass die zweidimensionale Lichtverteilung nicht durch ein einzelnes Sersic-Profil angepasst werden kann sondern mehrere Komponenten enthalten muss: ein Doppel-Sersic-Profil ist nötig für die Galaxien des frühen Typs, und ein dreifaches Sersic-Profil für späte Galaxien.

Dabei folgt jede Komponente des Sersic-Profils einer anderen physikalischen und dynamischen Komponente der Galaxie. Unter der Annahme, dass das innere Sersic-Profil zur in-situ-Komponente passt und dass das äußere Sersic-Profil zur akkretierten stellaren Komponente gehört, erhalten wir ein beobachtetes Maß für den durchschnittlichen Anteil an akkretiertem Sternenlicht. Für frühe Galaxien nimmt der Anteil der akkretierten Sterne von 30% auf 70 % im beobachteten Massenbereich zu, während sich bei frühen Galaxien ebenso ein Anstieg zeigt, hier sind die absoluten Zahlen aber deutlich kleiner, von 2% auf 25 % (siehe Abbildungen 2 und 3). Diese Beobachtungen liefern wichtige Bedingungen für einen ganzen Bereich von Galaxienmassen und -typen, und können somit helfen, zwischen verschiedenen Theorien zur Bildung von stellaren Halos und auch der Galaxien selbst unterscheiden zu können.

Richard D'Souza, G. Kauffmann, J. Wang, S. Vegetti


Referenzen:

1) R. D'Souza, G. Kauffmann, J. Wang, S. Vegetti, "Parametrizing the Stellar Haloes of Galaxies", linkPfeilExtern.gifsubmitted to MNRAS

2) Cooper, A.P.; D'Souza, R.; Kauffmann, G.; "Galactic accretion and the outer structure of galaxies in the CDM model", linkPfeilExtern.gifMNRAS, 434/4, p.3348-3367, 2013


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Letzte Änderung: 6.8.2014