Blick durchs Fischaugenobjektiv: Die Milchstraße am Himmel über dem Cerro Tololo Inter-­American Observatory am Rande der chile­nischen Atacama-Wüste
©Science Photo Library/Tafreshi, Babak

Physik Galaktisches Karussell

Galaxien wie die Milchstraße sind von kleinen, nur schwer zu beobachtenden Zwerggalaxien umgeben. Die verhalten sich offenbar völlig anders als erwartet – und könnten sogar das kosmologische Standardmodell ins Wanken bringen

von Dr. Oliver Müller

Seit dem Urknall vor knapp 14 Milliarden Jahren brachte unser Universum Milliarden von Galaxien hervor, von gigantischen Spiral­galaxien, wie unsere Milch­straße eine ist, bis hin zu winzigen, eher unscheinbaren Zwerg­galaxien. Diese Zwerge leuchten so schwach, dass sie durch die Erd­atmosphäre hindurch nur schwer zu beobachten sind. Dennoch ­stellen sie den häufigsten Galaxien­typ – und sind deshalb überaus wert­volle Studien­objekte.

Besondere Aufmerksamkeit wird ihnen jedoch zuteil, seit sich heraus­stellte, dass sie so stark wie kein anderer Galaxien­typ durch die sogenannte ­Dunkle Materie beeinflusst werden. Dabei handelt es sich um geheimnis­volle Materie, die sich einer­seits gravitationell wie die normale, sicht- und anfassbare Materie verhält, anderer­seits aber unsichtbar ist. Rund 80 Prozent des Universums bestehen aus dieser Dunklen Materie, die sich nur anhand ihrer Anziehungs­kräfte offenbart.

Dass diese Zwerggalaxien etwas Besonderes sind, zeigt sich in verschiedenen Abweichungen vom Standard­modell der Kosmologie, das die Entstehung und Entwicklung des Universums seit dem Urknall beschreibt. Dieses geht nämlich unter anderem davon aus, dass jede große Galaxie von einer kugel­förmigen Wolke aus Dunkler Materie umgeben ist, dem sogenannten Halo. Um die Lang­zeit­wirkungen der Dunklen Materie zu studieren, benutzen Wissen­­schaftlerinnen und Wissen­schaftler rechen­starke Super­computer, die, gefüttert mit den Anfangs­­bedingungen des Universums, ihre Entwicklung über Milliarden Jahre berechnen. Am Ende dieser Simu­lationen verfügen große Galaxien stets über Hunderte von Zwerg­galaxien, die sie wie ein Schwarm Bienen umschwirren.

Das gilt auch für die Milchstraße – nur kennen wir aufgrund ihrer schlechten Sicht­bar­keit bisher gerade einmal eine Hand­voll dieser kleinen Galaxien. Und die sind seltsamer­weise ganz anders verteilt, als es die Simulationen vorher­sagen. Im Halo der Milch­straße, wo eigentlich ein schwarm­ähnliches Durch­­einander herrschen sollte, finden wir Ordnung: Die Zwerg­galaxien kreisen nämlich auf gleichen Bahnen und in gleichem Dreh­sinn um die Milch­straße ­herum – so wie die Planeten unseres Sonnen­systems um das Heimat­gestirn. Die Häufigkeit, dass die Computer­simulationen eine solche Konstellation ergeben, liegt bei weit unter einem Prozent. Da fragt man sich natürlich zunächst einmal, ob und was in diesen Computer­modellen grund­legend falsch läuft.

Die Milchstraße sei eben ein statistischer Ausreißer – dies war lange Zeit Konsens im Forschungs­betrieb. Doch als ein Team um Rodrigo Ibata von der Université de Strasbourg 2013 heraus­fand, dass sich auch die Zwerg­galaxien unserer Nachbar­galaxie – dem „Andromeda­nebel“ – perfekt in eine rotierende Ebene einordnen, wurde aus „Einmal ist keinmal“ plötzlich „Zweimal ist keinmal“. Doch weil nicht sein kann, was nicht sein darf, wurde kurzer­hand unsere gesamte Lokale Gruppe, die aus Milchstraße, Andromeda­galaxie und weiteren kleineren Galaxien besteht, zu einer Laune der Natur deklariert.

Doch Bruno Binggeli von der Universität Basel, Helmut Jerjen von der Australian National University und mir war dieser „Zufall“ suspekt, und so machten wir uns auf die Suche nach Zwerg­galaxien außerhalb unserer Lokalen Gruppe. Dafür benutzten wir die Dark Energy Camera an einem 4-Meter-Teleskop des Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile. Unser Ziel: Centaurus A, eine elliptische Galaxie, die etwa fünfmal so masse­reich ist wie die Milch­straße. Sie ist ihr nächster Nachbar und am Südhimmel zu sehen.

Oliver Müller will seine Analyse von ­Zwerggalaxien systematisch ausweiten. Dazu wird er das Gran Telescopio Canarias (im Bild) auf La Palma nutzen. Mit einem Durchmesser von 10,4 Metern ist es das größte optische Teleskop der Welt
©privat
Oliver Müller will seine Analyse von ­Zwerg­galaxien systematisch ausweiten. Dazu wird er das Gran Telescopio Canarias (im Bild) auf La Palma nutzen. Mit einem Durch­messer von 10,4 Metern ist es das größte optische Teleskop der Welt

Weil die Zwerggalaxien so extrem schwach leuchten, war eine Bildanalyse mit­hilfe des Computers fast unmöglich. Sie führte zu Tausenden von falschen Detektionen. Für neuronale Netz­werke, wie sie sonst gerne in der Bild­erkennung angewendet werden, fehlten uns hingegen die dafür not­wendigen Trainings­­daten. Deshalb entschieden wir uns für das offenbar geeignetste Instrument über­haupt: unsere Augen. Selbst unauf­fällige und leucht­schwache Objekte können wir im verrauschten digitalen Abbild des Nacht­himmels besser entdecken als jedes Computer­programm. Lediglich spezielle Bild­bearbeitungs­filter, wie sie in jedem Bild­bearbeitungs­­programm zu finden sind, halfen uns, die Objekte schärfer zu zeigen und manch Unsicht­bares sichtbar zu machen. Am Ende entdeckten wir 60 neue Zwerg­galaxien und verdoppelten damit die Anzahl der bekannten Zwerge um Centaurus A.

Zeitgleich fand ein Team um Brent Tully vom Institute for Astronomy in Hawaii heraus, dass sich auch die bereits bekannten Zwerg­galaxien um Centaurus A in einer relativ flachen Struktur aufhalten.

Weil wir von der Erde aus genau auf die Kante dieser Zwerg­galaxien­ebene schauen, konnten wir die Bewegungen der Zwerge recht einfach unter­suchen. Das Ganze gleicht einem Kinder­karussell auf dem Jahr­markt: Wenn wir davor­stehen, sehen wir, wie sich die Kinder auf der einen Seite von uns weg und auf der anderen Seite auf uns zu bewegen. Bei 16 der bekannten Zwerge um Centaurus A hatten wir es leicht, zu ihnen gab es in der Literatur bereits Geschwindig­keits­messungen. Und tatsächlich: Im Norden von Centaurus A entfernen sich die Zwerge von uns, im Süden bewegen sie sich auf uns zu – wie bei einem galaktischen Karussell.

Somit konnten wir nachweisen, dass die Zwerg­galaxien nicht nur die Milch­straße und den Andromeda­nebel, sondern auch Centaurus A in geordneter Bahn umkreisen. Dies ist also bereits das dritte System von bisher drei untersuchten Galaxien, das dem Standard­modell der Kosmologie wider­spricht. Dreimal ist keinmal? Das ist kaum zu glauben, zumal Marcel Pawlowski vom Leibniz-Institut für Astro­physik in Potsdam auch im Fall von Centaurus A errechnete, dass die Wahr­scheinlichkeit für eine solche Kreis­­ebene bei weniger als einem Prozent liegt.

So wie es aussieht, klaffen die Simulationen des kosmologischen Standard­modells und unsere Beobachtungen deutlich auseinander. Die Gründe dafür ­können sein: Erstens, unsere Beobachtungen sind trotz der statistischen Datenlage eine Laune der Natur, und wir haben rein zufällig nur jene Zwerg­galaxien beobachtet, die alle auf einer Ebene um das zentrale Stern­system kreisen. Zweitens, das zugrunde­liegende theoretische Modell zur Entwicklung der Dunklen Materie ist zwar korrekt, aber die ent­sprechenden Simulationen im Computer sind falsch umgesetzt oder noch nicht ausgereift genug, um unsere Galaxien­systeme zu beschreiben.

Drittens – und das wäre in der Tat spektakulär –, das theoretische Modell der Dunklen Materie ist falsch. Und das hieße, dass das Standard­modell der Kosmologie, das auf den Gravitations­gesetzen von Albert Einstein basiert – also seiner Allgemeinen ­Relativitäts­theorie – das Universum nicht angemessen beschreiben kann.

Doch bevor wir zu diesem Schluss kommen, müssen wir systematisch weitere Galaxien­systeme beobachten und vermessen. Entscheidend ist dabei die Frage, ob sich unsere jetzigen Ergebnisse mit neuen Beobachtungen statistisch absichern lassen. Denkbar ist auch, dass die Gravitations­theorie derart modifiziert wird, dass sie ohne die Dunkle Materie auskommt. Solche Modelle gibt es bereits, auch lassen sich mit ihnen Bewegung und Verteilung unserer Zwerg­­galaxien beschreiben, jedoch stolpern sie über andere funda­mentale Probleme

Im Dunkeln tappen

Manche Astrophysiker bezweifeln die Existenz der Dunklen Materie

Isaac Newton hat damit angefangen. Er formulierte 1686 das Gravitations­gesetz und erklärte damit als Erster die Schwer­kraft auf der Erde sowie die Bewegungen der Planeten um die Sonne. Bei genauer Betrachtung beschreibt es die Verhältnisse im Weltall aber eben doch nicht exakt. Erst 1915 konnte Albert Einstein die kleinen Abweichungen in seiner Allgemeinen Relativitäts­theorie erklären.

Doch dann beobachteten Astronomen in den 1930er-Jahren, dass sich auch Sterne in Galaxien und Galaxien in Galaxien­haufen schneller bewegen, als Einsteins Theorie zulässt. Der Schweizer Astronom Fritz Zwicky (1898 – 1974) postulierte daher die Existenz „Dunkler Materie“. Diese verhalte sich wie ganz normale Materie auch, sei aber unsichtbar – ­weshalb sie bis heute immer nur indirekt nach­gewiesen werden konnte. Und zwar durch ihre Schwer­kraft, mit der sie die sichtbaren Sterne und Gala­xien beeinflusst.

Woraus sie besteht, weiß jedoch niemand; viele Physiker vermuten subatomare Teilchen dahinter, die heute noch niemand kennt. Wenn­gleich sich die Verhältnisse im Universum mit der Dunklen ­Materie recht gut beschreiben lassen, ist ihre notorische Unsicht­bar­keit ein Ärgernis: Gibt es sie wirklich, sind 80 Prozent des Weltalls unsichtbar. Mordehai Milgrom vom israelischen Weizmann Institute of Science stellte daher 1983 seine Theorie der ­Modifizierten Newtonschen Dynamik (MOND) vor. Sie kommt ohne die Dunkle Materie aus und sagt im Kern, dass die Wirkung der Anziehungs­kraft zwischen zwei Körpern nicht mit dem Abstand im Quadrat abnimmt, sondern bei extrem kleinen Beschleunigungen sogar verstärkt wird – ein Effekt, der nur in galaktischen ­Größen­ordnungen eine gewisse, aber eben entscheidende Rolle spielt.

Auch wenn die MOND-Theorie Schwächen zeigt, befassen sich seit einigen Jahren immer mehr Forschende mit ihr, modifizieren sie und – wer weiß – belehren vielleicht eines Tages Isaac Newton und Albert Einstein eines Besseren.

Von Joachim Schüring

Galaxien wie die hier gezeigte Centaurus A sähen anders aus, wenn sie nur von der Schwerkraft der sichtbaren Materie geprägt wären
©NASA/TANAMI/Müller et al.
Galaxien wie die hier gezeigte Centaurus A sähen anders aus, wenn sie nur von der Schwerkraft der sichtbaren Materie geprägt wären
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