Quelle: Universität Stuttgart.

Scheibengalaxien besitzen zusätzlich neben ihren Spiralstrukturen häufig im Innenbereich einen Balken, der den Materietransport in Richtung Galaxienzentrum zusätzlich unterstützt. Die Spiralgalaxie NGC 1097 besitzt einen solchen Balken, der im Innern in einen Starburst-Ring mündet, in dem intensive Sternentstehung stattfindet.

Auch Magnetfelder können die Schwerkraft bei der Versorgung von Schwarzen Löchern unterstützen, indem sie Materie ins Innere der Galaxie leiten. Polarimetrische Vermessungen des kühleren Gases in den Spiralarmen von NGC 1097 mit Hilfe von Radioteleskopen enthüllen in der Tat ein Magnetfeld, dass entlang der Spiralarme der Galaxie ausgebildet ist. Die magnetischen Strukturen im heißeren dichteren Bereich nahe des Zentrums – dort wo der Balken der Galaxie auf den Starburst-Ring im Zentrum stößt – können jedoch nur mit Hilfe von ferninfraroten Beobachtungen detailliert charakterisiert werden. Dazu hat ein Team um Enrique Lopez-Rodriguez das Magnetfeld in der zentralen Region von NGC 1097 mit dem HAWC+ Polarimeter an Bord von SOFIA, der fliegenden Sternwarte von NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), kartiert.

Die Studie zeigt, dass sich das Magnetfeld in den Spiralarmen der Galaxie in Stärke und Ausrichtung deutlich von dem Magnetfeld im Starburst-Ring unterscheidet. Doch trotz dieses auffälligen Unterschieds sind die beiden Magnetfelder nicht völlig unabhängig voneinander, sondern tragen gemeinsam dazu bei, Gas und Staub zum Schwarzen Loch in ihrem Zentrum zu transportieren: Die großräumigen Magnetfelder leiten Materie im ersten Schritt zunächst aus den äußeren Galaxienbereichen entlang der Spiralarme zum Starburst-Ring – und dann von dort aus tiefer hinein zum Schwarzen Loch von NGC 1097, welches das Material hungrig verschlingt.

„Beobachtungen von Magnetfeldern, die Schwarze Löcher nähren, helfen bei der Beantwortung wichtiger Fragen darüber, wie sich Galaxien entwickeln“, erläutert Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Operations Deputy Director der Universität Stuttgart, die auf deutscher Seite SOFIAs Betrieb koordiniert. „Dazu beobachten wir mit SOFIA eine größere Anzahl von Galaxien im polarisierten Ferninfrarot, um damit ein umfassendes empirisches Bild der Magnetfeldstärke und -struktur dieser Objekte zu erstellen“, so Schulz.

Originalveröffentlichung:
Extragalactic Magnetism with SOFIA (Legacy Program) – II: A Magnetically Driven Flow in the Starburst Ring of NGC 1097*, Enrique Lopez-Rodriguez et al 2021, ApJ 923 150: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac2e01/meta
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac2e01/pdf

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Quelle: Universität Bonn.

4. Februar 2022 – Das Standardmodell der Kosmologie beschreibt, wie das Weltall nach Ansicht der meisten Physikerinnen und Physiker entstanden ist. Forschende der Universität Bonn haben nun auf seiner Basis die Entwicklung der Galaxien untersucht. Dabei sind sie auf erhebliche Abweichungen zu tatsächlichen Beobachtungen gestoßen. An der Studie waren auch die Universität von St. Andrews in Schottland sowie die Karls-Universität in Tschechien beteiligt. Die Ergebnisse sind jetzt im Astrophysical Journal erschienen.

Die meisten Galaxien, die von der Erde aus sichtbar sind, ähneln einer flachen Scheibe mit verdicktem Zentrum. Sie gleichen also in etwa dem Sportgerät eines Diskuswerfers. Laut Standardmodell der Kosmologie sollten solche Scheiben aber eher selten entstehen. Denn ihm zufolge ist jede Galaxie von einer Art Heiligenschein aus dunkler Materie umgeben. Dieser Halo ist unsichtbar, übt jedoch aufgrund seiner Masse eine starke Anziehungskraft auf Galaxien in der Umgebung aus. „Daher kommt es immer wieder dazu, dass Galaxien miteinander verschmelzen“, erklärt Prof. Dr. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn.

Dieser Crash bewirke zweierlei, erläutert der Physiker: „Zum Einen durchdringen sich die Galaxien dabei, wodurch die Scheiben-Form zerstört wird. Zum Zweiten verringert sich durch ihn der Drehimpuls der durch die Fusion entstandenen neuen Galaxie.“ Vereinfacht gesagt, nimmt dadurch ihre Rotationsgeschwindigkeit stark ab. Die Drehbewegung sorgt normalerweise dafür, dass sich durch die dabei wirkenden Fliehkräfte eine neue Scheibe formiert. Ist der Drehimpuls dazu zu schwach, passiert das jedoch nur sehr langsam oder unterbleibt ganz.

Große Diskrepanz zwischen Vorhersage und Realität
In der aktuellen Studie hat Kroupas Doktorand Moritz Haslbauer eine internationale Forschungsgruppe geleitet, um den Werdegang des Universums anhand der aktuellsten Superrechner-Simulationen zu untersuchen. Die Berechnungen basieren auf dem Standardmodell; sie zeigen, welche Galaxien sich bis heute hätten bilden müssen, sollte diese Theorie korrekt sein. Ihre Ergebnisse verglichen die Forscher dann mit den momentan wohl genauesten Beobachtungsdaten des von der Erde sichtbaren Universums.

„Dabei sind wir auf eine erhebliche Diskrepanz zwischen Vorhersage und Realität gestoßen“, sagt Haslbauer: „Es gibt augenscheinlich deutlich mehr flache Scheibengalaxien, als sich durch die Theorie erklären lässt.“ Allerdings ist die Auflösung von Simulationen auch auf heutigen Supercomputern begrenzt. Es kann daher sein, dass die Zahl der Scheibengalaxien, die im kosmologischen Standardmodell entstehen würden, unterschätzt wurde. „Selbst wenn wir diesen Effekt berücksichtigen, bleibt aber ein gravierender Unterschied zwischen Theorie und Beobachtung“, betont Haslbauer.

Anders sieht es bei einer Alternative zum Standardmodell aus, die ohne Dunkle Materie auskommt. Nach der sogenannten MOND-Theorie (das Kürzel steht für „Theorie der MilgrOmscheN Dynamik) wachsen Galaxien nicht, indem sie miteinander verschmelzen. Stattdessen entstehen sie aus rotierenden Gaswolken, die sich mehr und mehr verdichten. Auch in einem MOND-Universum werden Galaxien immer größer, indem sie Gas aus der Umgebung aufnehmen. Fusionen ausgewachsener Galaxien wie im Standardmodell sind aber selten. „Unsere Bonn-Prag-Forschungsgruppe hat die weltweit einzigartige Fähigkeit aufgebaut, diese Alternative ebenfalls durchzurechnen“, sagt Kroupa, der auch Mitglied in den Transdisziplinären Forschungsbereichen „Modelling“ und „Matter“ der Universität Bonn ist. „Die Vorhersagen von MOND entsprechen dem, was wir tatsächlich sehen.“

Herausforderung für das Standardmodell
Allerdings sind die genauen Mechanismen des Galaxien-Wachstums auch bei MOND noch nicht vollständig verstanden. Zudem haben in MOND die Newton’schen Gravitationsgesetze unter bestimmten Umständen keine Gültigkeit, sondern müssen abgeändert werden. Das hätte weitreichende Konsequenzen auch für andere Bereiche der Physik. „Dennoch löst die MOND-Theorie alle bekannten extragalaktisch-kosmologischen Probleme“, sagt Dr. Indranil Banik, der maßgeblich an diesen Untersuchungen beteiligt war. „Unsere Studie belegt, dass junge Physikerinnen und Physiker auch heute noch die Chance haben, bedeutende Beiträge zur fundamentalen Physik zu leisten“, ergänzt Kroupa.

Publikation:
Moritz Haslbauer, Indranil Banik, Pavel Kroupa, Nils Wittenburg und Behnam Javanmardi: The high fraction of thin disk galaxies continues to challenge ΛCDM cosmology; Astrophysical Journal; DOI: 10.3847/1538-4357/ac46ac;
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac46ac
https://arxiv.org/abs/2202.01221

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