11.1. Kosmologische Simulationen
Wir leben in einem Universum, welches zu 23% aus dunkler Materie und zu 72% aus dunkler Energie besteht. Die leuchtende Materie, aus der Gas, Sterne und Galaxien bestehen, macht nur mickrige 5% aus. Die genaue Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie ist noch nicht bekannt, und die 5% leuchtender Materie sind auch nicht einfach zu verstehen. Sollen wir uns deshalb entmutigen lassen, unser Universum zu studieren, da die Arbeit der Astronomen anscheinend mehr Fragen aufwirft als Antworten liefert?
Die Antwort ist natürlich »nein«. Denn wir können uns das bisherige Wissen, z.B. um die dunkle Materie, zunutze machen. Die dunkle Materie macht durch ihre Gravitation auf sich aufmerksam. Denn ob leuchtende oder dunkle Materie – große Massen verursachen immer große Gravitationskräfte. Die Auswirkungen dieser Kräfte können beobachtet und vermessen werden, auch wenn die verursachende Masse selbst nicht gesehen werden kann. Aus diesem Grund wäre eine Galaxie, die ausschließlich aus dunkler Materie besteht, sehr einfach physikalisch zu beschreiben. Denn man würde es nur mit der Gravitation zu tun haben und sich nicht um das komplexe Zusammenspiel von Gas, Sternentstehung, Supernovaexplosionen und chemischer Entwicklung in jeder Galaxie kümmern müssen.
Aus diesem Grund sind schon vor mehr als zehn Jahren riesige Simulationen entwickelt worden, die ausschließlich die Entwicklung der dunklen Materie im Universum betrachten, und zwar von kurz nach dem Urknall bis in die heutige Zeit. Man kann sich dieses Vorgehen etwa so vorstellen, wie wenn man im Kino 3D-Brillen aufsetzen müsste, um einen Film räumlich sehen zu können. Diese Simulationen ermöglichen uns also, das zu sehen, was wir quasi mit einer »Dunkle-Materie-Brille« sehen könnten.
Die zeitliche Entwicklung von sogenannten dunklen Halos wird in einer solchen Simulation genau verfolgt. Diese Halos sind Gebiete, an denen die dunkle Materie besonders verdichtet ist. Denn es wird angenommen, dass sich eine leuchtende Galaxie mitsamt ihrem stellaren Halo im Zentrum eines solchen dunklen Halos befindet. Diese Annahme beruht auf Beobachtungen und den Resultaten der Rotationskurvenanalyse, die ergeben haben, dass die Milchstraße und alle anderen Galaxien generell von einem großen Halo aus dunkler Materie umgeben sind. Wenn man also den Aufbau und die Entwicklung eines dunklen Halos simuliert, kann so indirekt auch die Entwicklung einer leuchtenden Galaxie verfolgt werden.
Der Begriff stellarer Halo bezieht sich auf die dünn besiedelte äußere Sternregion der Galaxie, während der Begriff dunkler Halo eine riesige dunkle Materieverdichtung beschreibt. Ein solcher dunkler Halo hat also nichts mit dem stellaren Halo der Milchstraße oder dem einer anderen Galaxie zu tun. »Halo« ist lediglich die Bezeichnung eines ausgedehnten kugelförmigen Objekts aus Materie.
Der Einfachheit halber werden also die Bildung und Entwicklung der Galaxien über Milliarden von Jahren hinweg ausschließlich über die Entwicklung ihrer Dunkle-Materie-Halos simuliert. Natürlich wäre es noch viel aufschlussreicher, wenn solche Simulationen nicht nur mit dunkler Materie, sondern zusätzlich auch mit leuchtender Materie ausgeführt werden könnten. Da diese Vorgänge aber sofort extrem komplex werden, steigen die Laufzeiten der Simulationen schnell ins Unermessliche. In den meisten Fällen überfordert das auch die schnellsten Supercomputer, es sei denn, man betrachtet nur die gröbsten Vorgänge dieser unzähligen physikalischen und chemischen Prozesse der Galaxienentstehung. Eine Ausweichmöglichkeit ist es, bestimmte Vorgänge unabhängig von der kosmologischen Entwicklung des Universums zu simulieren oder zeitlich sehr beschränkte Simulationen, z.B. zur Entstehung der ersten Sterne, durchzuführen.
Die kosmologischen Simulationen zeigen detailliert, wie sich kurz nach dem Urknall die ersten Verdichtungen, die ersten dunklen Halos, bildeten. Wenig später kamen einige dieser ersten Halos zusammen und verschmolzen zu einem etwas größeren Halo, von dem angenommen wird, dass er die erste Galaxie beherbergte. Dieser und weitere solcher kleineren Halos kollidierten wiederum miteinander und verschmolzen zu größeren. Die gesamte Materie bewegte sich dabei entlang von riesigen Filamenten, an deren Kreuzungspunkten diese Halos entstanden und weiterwachsen konnten, wenn nur genügend Materie und schon entstandene Halos am Kreuzungspunkt ankamen. Abbildung 11.1 zeigt diese Vorgänge anhand einer Momentaufnahme einer Dunklen-Materie-Simulation. Mit der Zeit konnten einige dieser Halos ziemlich groß werden – es wird angenommen, dass sie die heutigen großen Galaxien, wie die Milchstraße, beherbergen.
Abb. 11.1: Momentaufnahme einer kosmologischen Dunkle-Materie-Simulation zur Struktur- und Galaxienentstehung. Die dunkle Materie zeigt eine detaillierte Filamentstruktur innerhalb einer 300 Millionen Lichtjahre großen Region. Die helleren Gebiete deuten Verdichtungen der dunklen Materie an, in denen sich große Galaxien und Galaxienhaufen befinden.
Mit den kosmologischen Simulationen kann der Milliarden Jahre andauernde Übergang von einem fast strukturlosen Universum nach dem Urknall in ein Universum mit riesigen langgestreckten Filamenten und Geflechten verfolgt werden. Diese Simulationen reproduzieren diverse Galaxienbeobachtungen, die gezeigt haben, dass sich die leuchtende Materie nicht gleichmäßig im Universum verteilt, sondern dass sich stattdessen riesige Galaxienhaufen in netzartigen Strukturen ansammeln.
Wegen dieses langwierigen hierarchischen Aufbauprozesses dauert die Entwicklung der meisten Galaxien immer noch an. Auch heute werden viele Galaxien beobachtet, die miteinander kollidiert sind, und selbst im Halo der Milchstraße können die Spuren von vergangenen Zusammenstößen mit kleineren Galaxien gefunden werden. Aufgrund der enormen Gravitationskraft der Milchstraße wurden im Laufe der Zeit viele Galaxien, besonders kleinere Zwerggalaxien, eingefangen und im Gezeitenfeld gnadenlos zerrieben. Die Überreste des Verspeisens von kleineren Galaxien können sogar direkt untersucht werden. Große photometrische und spektroskopische Durchmusterungen haben mehrere riesige längliche Ströme von Sternen entdeckt, die sich über den ganzen Himmel erstrecken. Sie sind nichts anderes als zerriebene, wie Kaugummi auseinandergezogene Zwerggalaxien. Diese Beobachtungen bewiesen, dass sich milchstraßenähnliche Galaxien in einem ziemlich kannibalistischen Prozess durch das stetige Auffressen von kleineren Galaxien ernähren und heranwachsen.
Aber nicht alle kleineren Galaxien in der Umgebung der Milchstraße haben so schon ihr jähes Ende gefunden. Die Lokale Gruppe mit ihren vielen verschiedenen Zwerggalaxien ist ein »Nebenprodukt« der Entstehung unserer Galaxie. Die meisten dieser überlebenden Zwerggalaxien umkreisen entweder die Milchstraße oder Andromeda und werden dies wohl auch noch für lange Zeit friedlich tun. Aber für einige von ihnen wird schon bald das Ende kommen. Einige der schwächsten Galaxien zeigen Anzeichen einer Verformung durch das Gezeitenfeld der Milchstraße. Sie sind somit die nächsten Galaxien, die zerrissen werden und deren Sterne und Gas letztendlich im stellaren Halo der Milchstraße enden werden.
Aus den vielen verschiedenartigen Beobachtungen ist schon seit langem bekannt, dass jede größere Galaxie von einer ganzen Reihe kleinerer Zwerggalaxien umkreist wird. Dieses Verhalten wird im Prinzip auch in den Simulationen gesehen. Abbildung 11.2 zeigt einen simulierten Halo aus dunkler Materie zum heutigen Zeitpunkt, der groß genug wäre, um eine Milchstraße zu beherbergen. Um ihn herum befinden sich mehr als tausend kleinere Halos, die den Zentralhalo wie einen riesigen Bienenstock eifrig umschwirren. Da auch Zwerggalaxien einen Halo aus dunkler Materie besitzen, kann angenommen werden, dass diese kleineren dunklen Halos das Pendant der heutigen Zwerggalaxien sind. Dementsprechend müsste erwartet werden, dass große Galaxien von Tausenden von Zwerggalaxien umkreist werden. Denn mit Hilfe der Simulationen können wir nicht nur etwas über die Entwicklung der Milchstraße lernen, sondern auch über die Zwerggalaxien und das Zusammenspiel zwischen ihnen und ihrer Zentralgalaxie.
Abb. 11.2: Detailaufnahme einer 4 Millionen Lichtjahre großen Region in einer kosmologischen Dunkle-Materie-Simulation. Heutzutage gibt es riesige Dunkle-Materie-Halos, die Galaxien wie die Milchstraße beherbergen. Diese Halos werden von einer Fülle kleinerer Halos umkreist, von denen angenommen werden kann, dass sie Zwerggalaxien beherbergen.
Allerdings werfen diese Simulationsergebnisse ein besonderes Problem auf. Unsere Milchstraße wird nämlich nicht von mehr als tausend kleinen Zwerggalaxien, sondern nur von etwa dreißig dieser Knirpse umkreist. Diese Diskrepanz bereitet Astronomen schon seit einem Jahrzehnt Kopfschmerzen. Viele verschiedene Lösungsvorschläge haben immer noch keine Antworten gebracht, denn mit dieser Frage ist Folgendes eng verbunden: In welchem Ausmaß beherbergen die kleinen Halos aus dunkler Materie leuchtende Galaxien, die wir als Gas und Sterne beobachten können? Andersherum ausgedrückt, könnte es sein, dass die Milchstraße von unzähligen kleinen Halos aus dunkler Materie umgeben ist, die wir mit unseren herkömmlichen Teleskopen nicht detektieren können? Oder sind die Dunkle-Materie-Simulationen nicht detailliert genug, um leuchtende Galaxien und ihre komplexe Entwicklung grundsätzlich zu beschreiben?
Neue, aufwendige Simulationen versuchen, Antworten auf diese fundamentalen Fragen zu finden. Aber auch Beobachtungen können dazu beitragen, weitere Details der Galaxienentwicklung zu erforschen. So helfen neue Forschungsergebnisse zur Natur der verschiedenen klassischen und ultraschwachen Zwerggalaxien zu verstehen, warum einige von ihnen den äußerst kannibalistischen Entwicklungsprozess der Milchstraße überlebt haben, andere aber nicht. Weiterhin liefern detaillierte Beobachtungen der verschiedenen Sternpopulationen der Milchstraße entscheidende Hinweise zu den einzelnen Schritten der langandauernden Entstehungsgeschichte unserer Galaxie.
Die Entstehung der Milchstraße fasziniert Astronomen schon seit mehr als einem halben Jahrhundert. So wurden seit etwa 1960 grundlegende Ideen für die Entstehung von Galaxien, vornehmlich der Milchstraße, entwickelt. Sie basierten allein auf Beobachtungen von Sternen und ihren Bewegungen innerhalb der Milchstraße – lange vor dem Zeitalter großer kosmologischer Simulationen.
So wurden zwei konkurrierende Theorien entwickelt. Im ersten Modell bildet sich eine Galaxie in nur 100 Millionen Jahren in dem gewaltigen Kollaps einer riesigen Gaswolke. Mit Hilfe von einigen Annahmen konnten so die damaligen Beobachtungen von Elementhäufigkeiten von Sternen und deren Bewegungen innerhalb der Galaxie erklärt werden. Das andere Modell besagte, dass sich eine Galaxie ausschließlich aus dem Zuwachs von kleinen Proto-Galaxien über eine längere Entstehungszeit von mehreren Milliarden Jahren stückweise aufbauen würde. Im Gegensatz zum Kollaps-Modell stellte das zweite Modell keinen Zusammenhang zwischen Elementhäufigkeiten, Sternposition und -bewegungen in der Galaxie bezüglich eines hierarchischen Galaxienaufbaus her. Obwohl etwa zeitgleich zu diesen Ideen vorgeschlagen wurde, dass jede Galaxie in einen eigenen Halo aus dunkler Materie eingebettet sei, wurde diese Tatsache aber noch nicht in die Entstehungsmodelle der Galaxien aufgenommen.
In der Folge bildeten sich zwei Gruppen von Astronomen, die mit ihren Beobachtungen Befunde zu ihrem jeweiligen favorisierten Entstehungsmodell zusammentrugen und dabei eifrig versuchten, das andere Modell zu widerlegen. Dabei wurden vor allem die Bewegungen von Sternen im Halo der Milchstraße untersucht, um Rückschlüsse auf die Prozesse der Entstehung unserer Heimatgalaxie zu erhalten.
Erst die Entdeckung der Zwerggalaxie Sagittarius brachte 1997 durch neue Beobachtungen frischen Wind in diese jahrzehntelange Diskussion. Doch statt eines gebundenen, relativ kompakten Objekts fanden Astronomen einen riesigen, dichten Strom aus Sternen, welcher sich über den Himmel zieht und von dem übrig gebliebenen Galaxien-Kern ausgeht. Sagittarius ist also keine vollständige Galaxie mehr, denn sie wird momentan im Gezeitenfeld der Milchstraße langsam, aber sicher komplett zerrieben und zerrissen.
Das Modell des Galaxienwachstums durch das Aufnehmen von anderen, kleineren Galaxien schien mit diesem neuen Beobachtungsergebnis bestätigt worden zu sein. Heute wissen wir jedoch, dass keines der beiden Modelle eine komplette Erklärung für die komplexen Prozesse der Entstehung einer Galaxie wie der Milchstraße liefert. Denn mit Hilfe der kosmologischen Simulationen konnte gezeigt werden, dass zunächst eine Kollapsphase stattfindet, die zur Bildung des dunklen Halos führt. Dieser wächst daraufhin durch das Verschmelzen mit weiteren, kleineren Halos weiter an.
Die kleinen Zwerggalaxien sind also tatsächlich direkte Zeitzeugen der Entstehung und Entwicklung der Milchstraße. Denn ihre Eigenschaften und ihre eigene Entwicklung sind vom dynamischen Zusammenspiel mit der Milchstraße geprägt – sowohl in den letzten zehn bis zwölf Milliarden Jahren wie auch heute noch.