Wie kosmische Spiralen entstehen

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Bildquelle: SDSS

Die Spiralarme der etwa 400 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie UGC 3825 sind durch Dichtewellen entstanden. Das zeigen Beobachtungen eines Astronomenteams aus Großbritannien und den USA. Es ist das erste Mal, dass Forscher die Dichtewellentheorie direkt durch Messungen bestätigen konnten. Die verwendete Methode würde es künftig erlauben, ein genaues Bild der Entstehung von Spiralarmen durch langlebige Dichtewellen zu erhalten, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature Astronomy“.

„Es ist immer noch eine offene Frage, wie sich die Spiralarme in Galaxien genau bilden“, erläutern Thomas Peterken von der University of Nottingham in Großbritannien und seine Kollegen. „Wir nehmen gemeinhin an, dass zumindest in Galaxien mit zwei symmetrischen Spiralarmen langsam in der Galaxienscheibe umlaufende Dichtewellen die Ursache sind.“ Bei solchen Dichtewellen handelt es sich – ähnlich wie bei Schallwellen, nur in viel größerem, kosmischem Maßstab – um periodische Schwankungen der Materiedichte.

Die Spiralarme sind also nicht feste Strukturen aus Sternen – dann würden sie sich durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Sterne rasch aufwickeln – sondern Wellenberge der Dichtewellen, also jene Regionen, in denen die Dichte erhöht ist. Die höhere Dichte triggert den Kollaps von Gaswolken und führt so zu einer Zunahme der Sternentstehung. Die Sternentstehungsregionen mit ihren vielen jungen hellen Sterne lassen diese Gebiete dann von außen betrachtet als Spiralarme in Erscheinung treten.

Doch bislang fehlte ein direkter Nachweis für dieses Szenario. Denn die Bewegung der Dichtewellen selbst ist so langsam, dass sie sich nicht messen lässt. Und die Bewegung der Sterne, die messbar ist, ist nicht direkt an die Bewegung der Dichtewelle gekoppelt. Peterken und seine Kollegen haben deshalb einen anderen Weg eingeschlagen. „Die neu entstandenen Sterne bewegen sich vom Wellenberg der Dichtewelle weg“, so die Forscher, „wobei diese Bewegung von den relativen Geschwindigkeiten der Sterne und der Geschwindigkeit der Dichtewelle abhängt.“ Aus dem Abstand zwischen Sternen unterschiedlichen Alters und der Dichtewelle lasse sich daher die Geschwindigkeit der Dichtewelle ableiten.

Das Team griff für diese Analyse auf hochaufgelöste Spektren der Galaxie zurück, die im Rahmen des Sloan Digital Sky Survey am Apache Point Observatory in den USA gewonnen worden waren. In einem komplexen Verfahren modellierten sie die Spektren an einer großen Zahl von Stellen in der Galaxie durch unterschiedliche Altersverteilungen der Sterne. So gelang es ihnen, die Bewegung der Sterne unterschiedlichen Alters zu ermitteln und daraus dann auf die Geschwindigkeit der Dichtewelle zu schließen.

Wie sich zeigte, hängt die Winkelgeschwindigkeit der Dichtewelle nicht merklich vom Abstand vom Galaxienzentrum ab. Und genau das ist eine der zentralen Vorhersagen der Dichtewellentheorie. „Zumindest für UGC 3825 ist die beobachtete Spiralstruktur also konsistent mit einer Entstehung durch eine quasistationäre Dichtewelle“, so Peterken und seine Kollegen. Weitere Beobachtungen an anderen Galaxien könnten künftig ein komplettes Bild dieses Prozesses liefern. Mehr noch: Die Dichtewellentheorie könne zwar nicht die Spiralstruktur für alle unterschiedlichen Galaxientypen erklären. Aber die neue Methode könnte es erlauben, auch anderer physikalische Prozesse, die zur Entstehung von Spiralarmen führen, durch Beobachtungen zu überprüfen.

Quelle: doi.org/10.1038/s41550-018-0627-5 Bildquelle: SDSS

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