LSB-Galaxien geben Geheimnisse preis

Die Andromeda-Galaxie M31 © NASA/STScI

Beobachtungen von Low Surface Brightness-Galaxien zeigen die große Bedeutung der modernen Messtechnik: Selbst normale Galaxien wie unser Milchstraßennachbar M31, der Andromedanebel, sind nur wenig heller als der Nachthimmel. Für die Messung bedeutet dies, dass man in einem Bildelement einer Teleskop-Kamera genauso viele Photonen vom Nachthimmel empfängt wie von der Galaxie.

Die hellsten Stellen in LSB-Galaxien leuchten bereits viel schwächer als der Nachthimmel und die Nachweisgrenze – ein Tausendstel der Nachthimmelshelligkeit – ist zurzeit durch die Messgenauigkeit begrenzt. Will man nun also wissen, wie viel baryonische Materie in allen Galaxien vorhanden ist, so muss man die Helligkeitsverteilung aller Galaxien bestimmen und gewichtet mit einer typischen Masse pro beobachteter Leuchtkraft aufsummieren.

Auf einer Himmelsfläche von vier Vollmonddurchmessern können auf sehr empfindlichen Aufnahmen mit dem 4m Blanco-Teleskop des CTIO Observatoriums in Chile mehr als eine Million Objekte nachgewiesen werden, darunter circa 40 Galaxien mit extrem geringer Flächenhelligkeit (LSB-Galaxien). Die Galaxie mit der schwächsten je gemessenen zentralen Flächenhelligkeit ist im Ausschnitt (a) zu sehen. Das Objekt konnte auch mit dem Hubble-Weltraumteleskop (b) nachgewiesen werden. Seine zentrale Flächenhelligkeit beträgt nur 1/1000 der Helligkeit des Nachthimmels. © STScI / NASA / ESA

Häufigkeitsverteilungen von Galaxien auf der Spur

Seit mehreren Jahren versuchen die Wissenschaftler um Professor Ralf-Jürgen Dettmar vom Lehrstuhl für Astronomie der Ruhr-Universität Bochum solche Häufigkeitsverteilungen von Galaxien zu bestimmen. Dazu nutzen sie sehr sensitive Himmelsaufnahmen, die an Observatorien mit besten Beobachtungsbedingungen, wie zum Beispiel der Europäische Südsternwarte ESO oder dem Cerro Tololo Interamerican Observatory CTIO in Chile gewonnen werden. Stickstoff-gekühlte CCD-Kameras mit z.B. 16 Millionen Bildelementen können auf einer Himmelsfläche von Vollmond-Durchmesser Objekte nachweisen, die tausendmal schwächer leuchten als der Nachthimmel.

Die konkrete Aufgabe besteht darin, auf diesen Bildern durch Mustererkennungs-Algorithmen Objekte von Interesse zu identifizieren und dann deren Eigenschaften zu messen. Auf solchen digitalen Bildern, die ursprünglich mit verschiedenen Farbfiltern aufgenommen wurden, konnten die RUB-Forscher durch die Anwendung von Programmen, die im Rahmen eines BMBF-Verbundforschungsprojekts entwickelt wurden, etliche neue LSB-Galaxien entdecken. Dabei haben sie auch die Flächenhelligkeit der LSB-Galaxie mit dem bisher leuchtschwächsten Zentrum bestimmt.

Messergebnisse verschiedener Forschergruppen zeigen, dass die Häufigkeit der gefundenen Galaxien mit schwacher Flächenhelligkeit mindestens so groß oder sogar größer ist als die heller Galaxien. Die rote Kurve zeigt die Annahme der Häufigkeitsverteilung in den 1970er Jahren, als es noch nicht möglich war, schwach leuchtende Galaxien zu detektieren. © RUB

Der Vergleich der aus den Messungen abgeleiteten Helligkeitsverteilung mit den wenigen vorhandenen Literaturbeispielen zeigt die noch bestehenden Unsicherheiten durch Auswahleffekte bei der Stichprobenbestimmung aufgrund der schwierigen Messtechnik. Doch auch unter der Annahme, dass der stärkste mögliche Anstieg der Anzahl der leuchtschwachen Objekte pro Volumen zutrifft, tragen diese Objekte trotzdem nicht wesentlich zur fehlenden Masse bei.

LSB-Galaxien mit hohem Anteil dunkler Materie

LSB-Galaxien haben sich aber noch aus einem anderen Grund als astrophysikalisch höchst interessante Objekte herausgestellt: Die Bestimmung ihrer Rotationsbewegung führt zu dem Schluss, dass sie einen sehr hohen Anteil dunkler Materie haben. Dies verbindet LSB-Galaxien mit so genannten Zwerggalaxien. Bei den „Zwergen“ unter den Galaxien ist zwar nicht die zentrale Flächenhelligkeit, sondern die Gesamtleuchtkraft gering, aber bei den daraus resultierenden geringen baryonischen Gesamtmassen macht sich der Gravitations-Einfluss der dunklen Materie in ihren Zentren besonders stark bemerkbar. Und in diesen zentralen Bereichen der Galaxien stimmen die oben erwähnten kosmologischen Simulationen nicht mit den Beobachtungen überein.

Die kosmologischen Simulationen sagen eine starke Konzentration der dunklen Materie in den Galaxienzentren („cusp“) voraus, während die Bestimmung der Massenverteilung aus der Rotationsbewegung auf eine eher flache Verteilung („core“) schließen lässt. Dieses Beispiel ist charakteristisch für den derzeitigen Stand des Vergleichs zwischen kosmologischen Modellen und Beobachtungen. Während auf den großen Längenskalen von zehn oder 100 Millionen Lichtjahren (auf den Skalen von Galaxienhaufen und größer) Theorie und Beobachtung sehr gut übereinstimmen, gibt es deutliche Diskrepanzen bei genauerem Hinsehen, also auf den kleinen Skalen von 10.000 oder 100.000 Lichtjahren.

Stand: 16.10.2008