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Abbildung 1:
Die Verteilung der Modellgalaxien; die spezifische Sternentstehungsrate ist
gegen die Stärke der 4000-Angström-Kante aufgetragen. Modellgalaxien, die eine
kontinuierliche Sternentstehungsgeschichte haben, sind grün gefärbt; Galaxien
mit Bursts sind blau dargestellt; und Galaxien, die in der Vergangenheit Bursts
erlebt haben, sind rot eingefärbt. Man kann deutlich die drei Gruppen
unterscheiden, auch wenn es einige Überschneidungen gibt. Diagramme für die
spezifischen Sternentstehungsraten im Vergleich zu den Balmer-Absorptions- oder
Emissionslinien zeigen ein ähnliches Bild.
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Abbildung 2:
Miniaturbilder von einigen der Galaxien mit geringer Masse im SDSS, die derzeit
starke Bursts an Sternentstehung zeigen.
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Kosmologische Simulationen zur Entwicklung der kalten Dunklen Materie (CDM)
zeigen, dass die Dunkle Materie in Galaxienhalos eine Verteilung mit recht
konzentrierten Spitzen (engl. "cusps") bildet - mit Massenprofilen, die im
Vergleich mit den Beobachtungen im Innern der Galaxien zu steil sind. Dies wird
allgemein als "cuspy halo"-Problem bezeichnet. Eine Lösung für dieses Problem,
die schon früh vorgeschlagen wurde, ist, dass eine Galaxie Masse in Form von
Explosionen verlieren kann, was zu einer irreversiblen Expansion der
Umlaufbahnen der Sterne und der Dunklen Materie im Zentrum des Halos führt. Die
sehr dichten Spitzen würden dann über eine größere Fläche verteilt werden. Diese
Schlussfolgerungen beruhen jedoch auf einfachen analytischen Argumenten; es ist
nicht klar, ob dieser Mechanismus tatsächlich zentrale Dichteprofile in enger
Übereinstimmung mit den Beobachtungen produzieren könnte. Spätere gasdynamische
Simulationen von Zwerggalaxien zeigten in der Tat, dass der Gasabfluss durch
wiederholte Phasen intensiver Sternentstehung (engl. "bursts") im Prinzip genug
Energie transferieren könnte, um die "spitzen" zentralen Dunkle Materie Profile
zu glätten.
Dennoch blieb unklar, ob der Energiebedarf, der zum Abflachen der Profile nötig
ist, im Einklang mit den tatsächlichen Sternpopulationen und
Sternentstehungsgeschichten von realen Galaxien geringer Masse ist. Um
abzuschätzen, wie häufig Starbursts auftreten sowie den Amplitudenbereich bei
der Sternentstehung während eines Bursts, muss man eine große Stichprobe von
intrinsisch ähnlichen Galaxien analysieren.
Hochwertige Spektren bieten eine Reihe von Merkmalen, die äußerst nützlich sind
für die Diagnose der Sternentstehungsgeschichte einer Galaxie. Ein besonders
wichtiges Merkmal ist die "Kante" bei 4000 Angström, die aufgrund der Absorption
von hochenergetischer Strahlung durch Metalle in Sternatmosphären entsteht.
Diese Kante wird dann deutlich, wenn junge, heiße, blaue Sterne sich von der
Hauptreihe weg entwickelt haben. Darüber hinaus liefern die Absorptionslinien
der Balmer-Reihe, die für Sterne vom Spektraltyp A-F am stärksten sind, eine
Diagnose wie stark Sterne mittleren Alters zur Gesamtleuchtkraft der Galaxie
beitragen. Und schließlich entstehen Balmer-Emissionslinien in großen Wolken aus
Gas geringer Dichte, wo neu gebildete Sterne große Mengen von UV-Licht
emittieren, das das umgebende Gas (hauptsächlich Wasserstoff) ionisiert.
Verwendet man diese spektralen Eigenschaften nun gemeinsam so stellte Kauffmann
(2014) fest, dass man Galaxien in drei Gruppen trennen kann: diejenigen, die
derzeit einen "Burst" von Sternentstehung durchlaufen, diejenigen, die ihre
Sterne kontinuierlich gebildet haben, und diejenigen, bei denen es in der
Vergangenheit einen Burst gab (Fig. 1). Angewandt auf eine große Stichprobe von
Galaxien im Sloan Digital Sky Survey, konnten die Wissenschaftler bestimmen,
welcher Anteil der Galaxien aktuell einen Starburst durchläuft, wie groß in der
Regel die Masse der Sterne ist, die während dieses Bursts gebildet werden, sowie
die Dauer des Starbursts. Damit konnte überprüft werden, ob die Häufigkeit der
Bursts von der Masse der Galaxie abhängt und ob Starbursts mit Veränderungen in
der internen Struktur der Galaxien gekoppelt sind.
Die Analyse ergab, dass der Anteil der gesamten Sternentstehungsrate in Galaxien
mit anhaltenden Bursts stark mit der Sternmasse zusammenhängt; sie sank von 0,85
für die kleinsten Galaxien auf 0,25 für Galaxien mit Massen ähnlich der der
Milchstraße. Auch der Burst-Massenanteil, die durchschnittlichen Zeiten sowie
die Burstamplitude und -dauer konnten bestimmt werden. Schlussendlich fanden die
Wissenschaftler heraus, dass die zentralen Sterndichten bei Galaxien mit
geringer Masse im Vergleich zu ihren ruhigeren Pendants geringer sind.
Diese Ergebnisse stimmen bemerkenswert gut mit Vorhersagen von einigen der
neuesten hydrodynamischen Simulationen überein und stärken die Idee, dass das
"cuspy halo"-Problem durch die Energiezufuhr aus einer Reihe von Starbursts über
die gesamte Lebensdauer der Galaxie hinweg gelöst werden kann.
Guinevere Kauffmann
Literatur:
Guinevere Kauffmann, Quantitative constraints on starburst cycles in galaxies
with stellar masses in the range 108-1010 Msun, MNRAS (2014) 441 (3):
2717-2724
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