Warum stehen die massereichsten Galaxien im lokalen Universum still?

Ein internationales Team von Wissenschaftlern des linkPfeilExtern.gifATLAS3D Projekts hat in den vergangenen zwei Jahren die Rotationseigenschaften aller Galaxien des frühen Typs (elliptische und linsenförmige) im nahen Universum (in einer Entfernung bis zu 42 Mpc) vorgestellt. Zur Überraschung des Teams zeigt die stellare Komponente der massereichsten beobachteten Galaxien (~ 1011 Msun) keine Hinweise auf Rotation, während die meisten Galaxien geringerer Masse deutlich messbar rotieren. Mit Hilfe von Computersimulationen, durchgeführt von MPA-Wissenschaftlern, konnte das ATLAS3D Team jetzt nachweisen, dass die massereichen nicht rotierenden Galaxien vermutlich eine besondere Entstehungsgeschichte haben. Simulierte Galaxien, die diesen Galaxien am meisten ähneln, wachsen hauptsächlich durch Verschmelzungen mit kleinen, gasarmen Galaxien. Über die Hälfte ihrer Sterne wurden in anderen Galaxien geboren, die sich die Giganten im Laufe ihres Lebens einverleibt haben. Die Simulationen zeigen, dass diese wiederholten Verschmelzungen die im frühen Universum rotierenden grossen elliptischen Galaxien so stark abbremsen, dass sie zum Stehen kommen.

Abb. 1: Aufnahme einer langsam rotierenden Galaxie (NGC4643, oben) und einer schnell rotierenden Galaxie (NGC2974, unten) mit den beobachteten zwei-dimensionalen ATLAS3D Geschwindigkeitsfeldern (rechts). NGC4636 zeigt keine Rotation und die Geschwindigkeiten sind nicht höher als 40km/s. NGC2974 zeigt schnelle (~ 200 km/s) Rotation (Krajnovic et al. 2011).

Abb. 2: Rotationseigenschaften aller ATLAS3D Galaxien ausgedrückt durch den Spin parameter λR. Dieser Parameter misst den Drehimpuls der stellaren Komponente der Galaxien und wird aus den zwei-dimensionalen Geschwindigkeitsfeldern berechnet. Die meisten Galaxien des frühen Typs rotieren schnell (hohe λR Werte). Die seltenen massereichen Systeme (größte Kreise) rotieren jedoch sehr langsam (Emsellem et al. 2011).

Abb. 3: Zwei-dimensionales Geschwindigkeitsfeld einer simulierten nicht rotierenden Galaxie (oben). Diese Galaxien haben eine besondere Entstehungsgeschichte (Klasse F in Naab et al. 2013). Im Laufe ihrer Entwicklung (von großen Rotverschiebungen bis heute, z=0) wächst die Masse der Galaxien kontinuierlich an (schwarze Linie, unten) gleichzeitig verlieren sie Drehimpuls (grüne Linie) bis sie schließlich stillstehen.

Für das linkPfeilExtern.gifATLAS3D Projekt wurden 260 Galaxien - in einem Abstand von bis zu 42 Mpc - des frühen Typs (elliptische und linsenförmige Galaxien) bei optischen, Radio- und Millimeter-Wellenlängen beobachtet. Damit konnte das Team die Dynamik, die Sternentstehungsgeschichte, das Alter und die Metallizität der stellaren Komponente und die Eigenschaften des Gases (molekular, neutral und ionisiert) untersuchen (siehe Abb. 1). Die zwei-dimensionalen Beobachtungen der stellaren Kinematik brachten ein überraschendes Ergebnis: Während die meisten massearmen elliptischen Galaxien (~ 80 %) sehr deutlich rotieren - wie dicke stellare Scheiben - rotieren die massereichen Galaxien nur sehr langsam (siehe Abb. 2). Einige davon (7 von 260) sind recht rund und zeigen überhaupt keine Hinweise auf geordnete Rotation. Sie stehen still.

Die vollkommene Abwesenheit von galaktischer Rotation ist mit gängigen Theorien zur Entstehung von elliptischen Galaxien nur schwer vereinbar. Man nimmt typischerweise an, dass es sich um ausgebrannte Spiralgalaxien handelt, oder dass sie sich bei Verschmelzungen von etwa gleich grossen Scheibengalaxien gebildet haben. Sie können auch mit anderen elliptischen Galaxien verschmelzen. Viele Studien haben jedoch gezeigt, dass diese Entstehungsmechanismen nicht zu den beobachteten Eigenschaften der stillstehenden Galaxien führen.

Als Teil der theoretischen Untersuchungen im Rahmen von ATLAS3D hat eine Gruppe von MPA Wissenschaftlern hochaufgelöste Computersimulationen zur Bildung und Entwicklung von massereichen Galaxien durchgeführt. Die Kinematik der Sterne der simulierten Galaxien wurde mit den gleichen Methoden untersucht, die auch bei den Beobachtungen verwendet wurden. Damit konnten die Theoretiker direkte Verbindungen zwischen der Entstehungsgeschichte der Galaxien und ihren kinematischen Eigenschaften nachweisen. Die Studie lies viele mögliche Entstehungsgeschichten erkennen, die jeweils eine charakteristische Signatur in der zwei-dimensionalen Kinematik der Galaxien hinterlassen - ein sehr wertvolles Ergebnis für die wissenschaftliche Interpretation der Beobachtungen.

Wie im "echten" Universum rotieren die meisten simulierten Galaxien schnell. Teils bilden sie rotierende stellare Scheiben aus akkretiertem Gas oder rotieren auch nach einer Kollision mit einer Nachbargalaxie von vergleichbarer Größe. Bei Galaxien großer Masse (~ 1011 Msun) bilden sich die meisten Sterne jedoch nicht in der Galaxie selbst, sondern in anderen Galaxien, die mit der Hauptgalaxie verschmelzen. Einige dieser "Unfallwracks" rotieren sehr langsam, sind allerdings zu abgeflacht, um den beobachteten nicht rotierenden Galaxien zu ähneln. Das gilt nur für Galaxien mit einer besonderen Entstehungsgeschichte: Sie eignen sich über die Hälfte ihrer Sterne an, indem sie keine grossen, sondern ausschließlich viele kleinere Galaxien ‘auffressen’. Diese vielen wiederholten Verschmelzungen können die grossen elliptischen Galaxien innerhalb der letzten 10 Milliarden Jahre ihrer Entwicklung so stark abbremsen, dass sie heute still stehen (Abb. 3).


Thorsten Naab (MPA), Ludwig Oser (MPA, Columbia University) und das ATLAS3D Team


Referenzen

Cappellari et al., "The ATLAS3D project - I. A volume-limited sample of 260 nearby early-type galaxies: science goals and selection criteria", 2011, MNRAS, 413, 813 linkPfeilExtern.gifhttp://adsabs.harvard.edu/abs/2011MNRAS.413..813C

Krajnovic et al., "The ATLAS3D project - II. Morphologies, kinemetric features and alignment between photometric and kinematic axes of early-type galaxies", 2011, MNRAS, 414, 2923 linkPfeilExtern.gifhttp://adsabs.harvard.edu/abs/2011MNRAS.414.2923K

Emsellem et al., "The ATLAS3D project - III. A census of the stellar angular momentum within the effective radius of early-type galaxies: unveiling the distribution of fast and slow rotators", 2011, MNRAS, 414, 888 linkPfeilExtern.gifhttp://adsabs.harvard.edu/abs/2011MNRAS.414..888E

Naab et al., "The ATLAS3D project - XXV: Two-dimensional kinematic analysis of simulated galaxies and the cosmological origin of fast and slow rotators", 2013, astro-ph linkPfeilExtern.gifhttp://arxiv.org/abs/1311.0284