Warum fehlen Spiralarme bei Zwergen?

Sternengeschichten Folge 687: Zwerggalaxien und ihre Probleme

In dieser Folge der Sternengeschichten schauen wir wieder weit hinaus ins Weltall. Auf jeden Fall über die Grenzen unserer Milchstraße hinaus. Es wird extragalaktisch, aber wir wollen auch nicht übertreiben und bleiben bei den kleinen Dingen, die sich im großen Raum jenseits der Milchstraße befinden: Den Zwerggalaxien.

Die sind, immer wieder mal, in verschiedenen Folgen der Sternengeschichten aufgetaucht, aber sie haben bis jetzt noch keine eigene Folge bekommen, und das ist nötig. Denn die Zwerggalaxien sind nicht nur sehr spannend, sondern auch Teil eines großen Problems, das wir mit dem Verständnis des gesamten Universums und seiner Entwicklung haben.

Aber bevor es problematisch wird, bleiben wir bei den Zwerggalaxien selbst. Eine Galaxie ist eine große Ansammlung von Sternen, ein paar hundert Milliarden oder sogar noch mehr, die durch ihre Gravitationskraft aneinander gebunden sind. Und Gas, Staub, dunkle Materie und so weiter ist da natürlich auch noch mit dabei. Die Milchstraße ist eine Galaxie, zu der auch die Sonne gehört. Die Andromedagalaxie ist unsere nächstgelegene Nachbargalaxie - und so weiter. Das Universum ist voll damit. Und eine Zwerggalaxie ist - wenig überraschend - eine kleine Galaxie. Es gibt keine exakte Definition, ab wann man einen Haufen Sterne als "Zwerggalaxie" bezeichnet. Wenn es sehr viele Sterne sind, dann ist es eine Galaxie. Wenn es sehr wenig Sterne sind, dann ist es ein Sternhaufen beziehungsweise ein Kugelsternhaufen. Und irgendwo dazwischen sind die Zwerggalaxien. Typischerweise haben Zwerggalaxien mindestens ein paar hunderttausend Sterne und höchstens ein paar Milliarden. Aber wie gesagt - klare Grenzen gibt es da nicht.

In Folge 243 der Sternengeschichten habe ich ausführlich über die große und die kleine Magellansche Wolke gesprochen; zwei Zwerggalaxien, die man sehr gut mit freiem Auge am Nachthimmel sehen kann, zumindest wenn man sich ausreichend weit im Süden befindet. Sie enthalten 15 Milliarden Sterne beziehungsweise circa 5 Milliarden Sterne und in beiden Fällen sind das ziemlich viele Sterne. Ok, es sind nicht die rund 200 Milliarden Sterne die sich in der Milchstraße befinden, aber jetzt auch nicht dramatisch viel weniger. Wir haben aber auch schon Zwerggalaxien gefunden wie Ursa Major III, in der wir nur 57 Sterne sehen konnten. Das sind zugegeben extrem wenig Sterne, aber in dem Fall wird das durch die große Menge an dunkler Materie ausgeglichen, die sich dort befindet. Aber Objekte wie Ursa Major III sind Extremfälle und eine eigene Folge der Sternengeschichten wert.

Bleiben wir bei den normalen Zwerggalaxien. So wie die großen Galaxien kann man sie auch anhand ihrer Form einteilen. Es gibt elliptische und sphäroidale Zwerggalaxien, die - wie der Name nahelegt - mehr oder weniger kugelförmige Ansammlungen sind. Es gibt die irregulären Zwerggalaxien, deren Form irgendwie ist und es gibt Zwergspiralgalaxien. Dort sind die Sterne in einer Scheibe mit Spiralarmen angeordnet, so wie es auch in der Milchstraße und vielen anderen großen Spiralgalaxien der Fall ist. Zwergspiralgalaxien sind aber deutlich seltener. Damit eine Galaxie Spiralearme ausbilden kann, braucht sie vor allem ausreichend viel Gas und die Sterne müssen sich ausreichend lange stabil um das Zentrum der Galaxie herum bewegen. Zwerggalaxien sind klein und haben wenig Masse. Dadurch ist auch die gravitative Bindung zwischen den Sternen schwach und sie bewegen sich langsam. Sie können deswegen durch ihre Bewegung auch nicht die gravitativen Störungen auf das Gas ausüben, so dass dort neue Sterne entstehen. Ich will jetzt gar nicht im Detail auf die Entstehung von Spiralarmen und die "Dichtewellentheorie" eingehen, die das erklärt. Aber sehr kurz gesagt: Spiralarme bilden sich dann, wenn die kombinierten gravitativen Störungen jeder Menge Sterne auf die richtige Weise auf das interstellare Gas einwirken, so dass dort an bestimmten Stellen neue Sterne entstehen. Die leuchten dann hell und weil sie eben nur an bestimmten Stellen entstehen und hell leuchten, sehen wir ein Muster und dieses Muster sind die Spiralarme. Zwerggalaxien haben im Allgemeinen zu wenig Sterne dafür, sie bewegen sich nicht auf die richtige Weise und haben zu wenig Masse, um das Gas, das man für die Sternentstehung braucht, festzuhalten.

Deswegen sind die allermeisten Zwerggalaxien einfach "Haufen" von Sternen; manche eher kugelförmig und manche komplett unförmig. Und unförmig sind sie vor allem dann, wenn sie mit einer großen Galaxien in Wechselwirkung treten. Auch davon habe ich schon oft erzählt, zum Beispiel als es um die Sternströme in Folge 177 ging. Eine große Galaxie kann eine kleine Zwerggalaxie durch ihre Gravitationskraft nicht nur anziehen, sondern auch verformen. Und am Ende dann verschlucken. Das passiert ständig denn die Zwerggalaxien sind normalerweise immer in der Nähe von großen Galaxien zu finden. Es gibt zwar auch welche, die isoliert und weitab von allen anderen Galaxien existieren. Aber normalerweise ist die Situation so wie bei unserer Milchstraße: Sie hält sich einen ganzen Haufen an Satellitengalaxien. Wir kennen ein paar Dutzend davon. Die uns nächstgelegene ist die Canis-Major-Zwerggalaxie in circa 25.000 Lichtjahren Entfernung. Die bekanntesten sind die vorhin angesprochenenen Magellanschen Wolken, von denen die große auch die größte Satellitengalaxie ist. Aber wir kennen eben auch noch jede Menge andere, die die Milchstraße wie eine Wolke umgeben. Auch die Andromedagalaxie hat ihre eigene Gruppe an Satellitengalaxien.

Und jetzt nähern wir uns langsam dem Problem, das ich zu Beginn der Folge angesprochen habe. Wir gehen heute davon aus, dass die Galaxien sich hierarchisch entwickelt haben. Das soll heißen: Zuerst sind kleine Strukturen entstanden und die haben sich langsam zu größeren entwickelt. Oder anders gesagt: Eine Galaxie wie die Milchstraße, die aus ein paar hundert Milliarden Sternen besteht, ist nicht auf einen Schlag entstanden. Zuerst waren da jede Menge kleinere Ansammlungen von Sternen, die sich gegenseitig mit ihrer Gravitationskraft beeinflusst haben. Manche davon sind miteinander verschmolzen und haben größere Ansammlungen gebildet. Die größten haben dann dominiert und noch mehr der kleineren verschluckt. Bis am Ende dann, vereinfacht gesagt, eine große Galaxie existiert, die von jeder Menge Zwerggalaxien umgeben ist, die noch nicht mit ihr verschmolzen sind sondern sich vorerst noch als "Satelliten" um die große Galaxie herum bewegen.

Mit unserem Wissen über die Vorgänge im frühen Universum, den theoretischen Modellen über die Entstehung und Entwicklung der Galaxien und so weiter, können wir das alles im Computer simulieren. Das ist alles andere als einfach. Man muss dazu zum Beispiel den Einfluss der dunklen Materie berücksichtigen, von der es ja sehr, sehr viel mehr gibt als von der normalen Materie. Die dunkle Materie hat im frühen Universum gigantische Wolke gebildet. Die Anziehungskraft dieser Wolken hat dafür gesorgt, dass die normale Materie sich in deren Zentren ansammelt. Dort sind daraus dann Galaxien entstanden - jede Galaxie liegt also im Zentrum einer noch viel größeren Wolke aus dunkler Materie. Diese Dunkle-Materie-Wolken stehen natürlich ebenfalls in Wechselwirkung miteinander und weil es eben so viel mehr dunkle Materie gibt als normale Materie, ist es genaugenommen diese Wechselwirkung, die relevant ist. Die Galaxien und Zwerggalaxien in den Zentren dieser Wolken sind nur so etwas wie leuchtende Markierungen für uns, anhand derer wir nachvollziehen können, wie die Struktur der Wolken aussehen muss.

All das muss man berücksichtigen, wenn man entsprechende Computermodelle haben will. Auf jeden Fall aber kann man solche Simulationen machen und sie stimmen eigentlich recht gut mit den realen Daten überein. Die großräumige Struktur, die sich in so einem Computeruniversum im Laufe der Jahrmilliarden entwickelt sieht mehr oder wenig so aus wie das, was wir auch in echt sehen, wenn wir die Verteilung der Galaxien im Universum kartieren. Wenn da nicht die Zwerggalaxien wären! Denn wir sehen zwar, dass jede große Galaxie einen Haufen Satellitengalaxien um sich herum hat. Aber wir sehen deutlich weniger als in den Simulationen. Das ist das Problem mit den Zwerggalaxien, das auch oft das "Missing Satellite Problem" genannt wird.

Wir wissen immer noch nicht genau, was die Ursache für das Zwerggalaxienproblem ist. Es kann natürlich sein, dass wir irgendwas grundlegendes nicht verstanden haben, was mit der Entwicklung des Universums zu tun hat. Vielleicht brauchen wir ein neues kosmologisches Modell; eine völlig neue Theorie über das Universum. Aber, und das ist vermutlich wahrscheinlicher, vielleicht haben wir auch nur ein paar Details noch nicht ganz verstanden. Wir sehen ja nur die Zwerggalaxien, in denen sich auch ausreichend viele Sterne befinden, die Licht aussenden. Es kann aber durchaus sein, dass in vielen Zwerggalaxien wenig oder vielleicht sogar gar keine Sterne gebildet worden sind. Ich habe vorhin gesagt, dass die großräumige Struktur durch die Verteilung der dunklen Materie bestimmt wird, die wir nicht direkt beobachten können. Wir sehen nur die normale Materie, die sich in den Zentren der großen Wolken aus dunkler Materie angesammelt und in Form von Sternen und Galaxien zu leuchten begonnen hat. Was aber, wenn sich in manchen Wolken aus dunkler Materie keine Sterne gebildet haben? Oder nur so wenig, dass wir es nicht beobachten können? Vielleicht müssen wir nicht unsere Theorien über das Universum über den Haufen werfen, sondern besser verstehen, wie die Wolken aus dunkler Materie die Entstehung von Galaxien beeinflussen?

Was aber auf jeden Fall außer Frage steht ist: Zwerggalaxien sind wichtig. Sie sind zahlreicher als die großen Galaxien. Sie sind quasi das, was bei der Entstehung der großen Galaxien übrig geblieben sind; sie sind eine Möglichkeit für uns, die Bildung der großen Strukturen im Universum zu verstehen. Und je besser wir darin werden, sie zu beobachten, desto besser werden wir auch verstehen, wie das Universum zu dem geworden ist, was wir heute sehen.