Rätsel der ultradiffusen Galaxien gelöst?

So groß wie die Milchstraße, aber hundertmal weniger Sterne und fast kein Gas: Ultradiffuse Galaxien geben Astronomen Rätsel auf – vor allem diejenigen, die mutterseelenallein in leeren Gefilden des Kosmos residieren. Jetzt haben Forscher herausgefunden, wie diese Galaxien zustande gekommen sein könnten. Demnach wurde sie einst aus dichteren Galaxienhaufen ausgeschleudert und verloren dabei ihr Gas und damit das Rohmaterial für die weitere Sternbildung.

Ultradiffuse Galaxien sind Zwerggalaxien, die zwar eine enorme Fläche einnehmen, aber im Verhältnis dazu nur wenige Sterne und fast kein Gas besitzen. Ihre Sternbildung ist daher fast völlig zum Erliegen gekommen, einige dieser UDF-Galaxien besitzen zudem ungewöhnlich wenig Dunkle Materie. Wie diese Merkmale zustande kommen und welche Faktoren diese Sternansammlungen ihres Gasvorrats beraubt haben, ist jedoch noch weitgehend unklar.

Rätsel um inaktive Zwerge

„Wir wissen aus Beobachtungen, dass ultradiffuse Galaxien in Galaxienhaufen und -gruppen eher inaktiv und rot sind“, erklären José Benavides vom Astronomischen Observatorium in Cordoba und seine Kollegen. Das eher rötliche Licht dieser Galaxien weist darauf hin, dass ihre Sterne schon alt sind und kaum neue Sternen entstehen. Das könnte daran liegen, dass größere Nachbargalaxien ihnen den Gasvorrat entzogen haben und würde die Entstehung dieses Galaxientyps erklären.

Sollte das stimmen, dann müssten ultradiffuse Galaxien, die allein in eher leeren Regionen des Weltalls liegen, noch aktiv Sterne bilden und eher bläulich leuchten – so die Theorie. Doch inzwischen haben Astronomen einige ultradiffuse Galaxien entdeckt, die isoliert in kosmischen Voids liegen und trotzdem rot und inaktiv sind. „Das hat unsere Aufmerksamkeit geweckt“, sagt Koautorin Laura Sales von der University of California in Riverside. „Wie sind diese Galaxien dahin gekommen?? Und wie wurden sie gebildet? Dafür gab es bislang keine Erklärung.“

Galaxienentwicklung im Zeitraffer

Auf der Suche nach Antworten haben die Astronomen das mögliche Geschehen im virtuellen Kosmos der TNG50-Simulation nachvollzogen. In dieser großräumigen und zugleich detailreichen Computersimulation können kosmische Prozesse vom Urknall bis zur Gegenwart rekonstruiert werden. Für ihre Studie ließen die Forschenden die Galaxienbildung und -entwicklung in einem 150 Millionen Lichtjahre großen Würfel des Weltraums ablaufen.

Tatsächlich zeigte sich: Unter den unzähligen im Schnellvorlauf der Simulation entstandenen Galaxien waren auch einige ultradiffuse Galaxien, die in leeren Regionen des Alls lagen. Ähnlich wie in der Realität waren die meisten von ihnen blau und aktiv, aber rund 25 Prozent waren rot und bildeten keine Sterne mehr. Um herauszufinden warum, zoomten Benavides und sein Team zu diesen Galaxien hinein und ließen die Zeit nun rückwärts laufen.

Aus dem Haufen katapultiert

Die virtuelle „Zeitmaschine“ enthüllte: „Wir fanden heraus, dass auch diese isolierten ultradiffusen Objekte einst Satellitengalaxien von Galaxienhaufen oder Gruppen waren“, berichtet Sales. Doch dann kam es zu Turbulenzen, in deren Verlauf die kleinen Galaxien ins All hinausgeschleudert wurden. „Sie gerieten in einen sehr langgestreckten, elliptischen Orbit und erscheinen daher heute als isoliert“, so Sales.

Das Entscheide jedoch: Während des Ausschleuderns aus ihrem Ursprungshaufen wurden die Satellitengalaxien starken Gezeitenkräften ausgesetzt – einer Art Fahrtwind. „Diese Interaktionen entzogen ihnen ihr Gas und einen Großteil ihrer Halos aus Dunkler Materie“, erklären die Astronomen. Dadurch verloren diese ausgeschleuderten Satellitengalaxien das Rohmaterial für die weitere Sternbildung und wurden zu roten, inaktiven ultradiffusen Galaxien.

Dort draußen sind noch mehr davon

Damit könnte das „Universum im Computer“ eine schlüssige Erklärung für das Rätsel der inaktiven Einzelgänger unter den ultradiffusen Galaxien geliefert haben. Nicht vollends geklärt ist allerdings, warum diese ausgeschleuderten Zwerge heute so extrem diffus und auseinandergezogen sind, während anderer Zwerggalaxien ihre kompakte Struktur beibehielten. Das wollen Benavides und seine Kollegen nun in weiteren TNG50-Simulationen nachvollziehen.

Gleichzeitig legt die Simulation nahe, dass es im Weltall mehr dieser „toten“ Zwerggalaxien gibt als bislang angenommen. „Eine Menge dieser ultradiffusen Galaxien ist unsere Teleskopen verborgen geblieben“, sagt Sales. Denn ihren Daten zufolge muss es in den Voids und Filamenten des Kosmos noch deutlich mehr solcher ausgeschleuderter und ihres Gases und ihrer Dunklen Materie beraubter Sternansammlungen geben. (Nature Astronomy, 2021; doi: 10.1038/s41550-021-01458-1)

Quelle: Massachusetts Institute of Technology, University of California – Riverside