Zwerggalaxien unter der Lupe Dwarf Galaxies Under the Magnifying

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Jahrbuch 2008/2009 | Coleman, Matthew G.; De Jong, Jelte T. A.; Martin, Nicolas F.; Rix, Hans-W alter; Bell, Eric
F.; Hippelein, Hans | Zw erggalaxien unter der Lupe
Zwerggalaxien unter der Lupe
Dwarf Galaxies Under the Magnifying Glass
Coleman, Matthew G.; De Jong, Jelte T. A.; Martin, Nicolas F.; Rix, Hans-W alter; Bell, Eric F.; Hippelein, Hans
Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Auf dem Mount Graham in Arizona entsteht unter maßgeblicher Beteiligung des Max-Planck-Instituts für
Astronomie (MPIA) das Large Binocular Telescope. Auf einer gemeinsamen Montierung trägt es zw ei
Hauptspiegel mit je 8 Metern Öffnung. Im Frühjahr 2007 erfolgten erste Beobachtungen mit einem der beiden
Spiegel. Matthew Coleman vom MPIA und Kollegen veröffentlichten ihre Beobachtungen als erste: Sie
betreffen drei Zw erggalaxien, die unser Milchstraßensystem begleiten und deren sonderbare morphologische
Eigenschaften
auf
die
starke
gravitative
Wechselw irkung
mit
der
Galaxis
und
eine
komplexe
Entw icklungsgeschichte hinw eisen.
Summary
W ith the decisive participation of the Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), on Mount Graham in Arizona
the Large Binocular Telescope is being erected. It consists of tw o primary 8 meter mirrors supported by a
common mounting. In spring of 2007, first observations w ere performed w ith one of the tw o mirrors. The first
results w ere published in a study by MPIA’s Matthew Coleman and his colleagues, w hich refers to three dw arf
satellite galaxies accompying the Milky Way system: their peculiar morphologies result from the complex
history of their evolution due to strong gravitational interaction w ith the Milky W ay.
Im Verlauf des Jahres 2007 w urde im Large Binocular Telescope (LBT) auch der zw eite Spiegel eingesetzt
(Abb. 1), die ersten Beobachtungen erfolgten jedoch mit nur einem der beiden 8,4-Meter-Spiegel. Hierfür
stand die Large Binocular Camera für den blauen Kanal (LBC Blue) im Primärfokus zur Verfügung. LBC Blue und
sein zukünftiger Zw illing für den roten Spektralbereich, LBC Red, w urden von den italienischen LBT-Partnern
entw ickelt. LBC Blue ist mit vier CCDs zu jew eils (2048 x 4608) Pixel ausgestattet und bildet ein (23 x 23)
Quadratbogenminuten großes Himmelsfeld ab, w as fast der Größe des Vollmondes ent spricht. Diese Kamera
ist gew issermaßen eine CCD-W eitw inkelkamera mit 38 Megapixel. Sie ist auf den W ellenlängenbereich von 320
bis 500 nm spezialisiert und mit einer Reihe von Standardfarbfiltern ausgerüstet.
© 2009 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
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Da s LBT m it be ide n Ha uptspie ge ln. Die e rste n Be oba chtunge n
wurde n m it de m re chte n Spie ge l ge m a cht.
© LBTO
Die Herkules-Zwerggalaxie
Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts w aren neun kugelförmige Zw erggalaxien (dw arf spheroidal galaxies) als
Begleiter unserer Galaxis bekannt. Durch den Sloan Digital Sky Survey (SDSS), an dem auch das MPIA beteiligt
ist, hat sich diese Zahl innerhalb von nur drei Jahren verdoppelt. Diese kleinen Galaxien besitzen eine sehr
geringe Flächenhelligkeit und sind daher sehr schw er zu entdecken und zu studieren.
Von den bereits untersuchten Objekten dieser Art ist bekannt, dass Dunkle Materie den größten Teil ihrer
Gesamtmasse ausmacht. Außerdem w eisen sie sehr unterschiedliche Entw icklungsgeschichten auf, w as sich im
Alter ihrer Sternpopulationen w iderspiegelt. Die Untersuchung dieser lichtschw achen Sternsysteme erfordert
leistungsstarke Teleskope, w esw egen unser W issensstand über sie noch sehr lückenhaft ist. Insbesondere ist
noch w eitgehend unklar, auf w elche Weise Entstehung und Entw icklung dieser Satellitengalaxien mit
derjenigen unserer Milchstraße verw oben sind. Warum ist das Verhältnis von Dunkler zu normaler Materie in
den Zw erggalaxien viel höher als im Milchstraßensystem? Dies sind nur zw ei von vielen w eitgehend
ungeklärten Fragen.
Die Zw erggalaxie im Sternbild Herkules w urde erst kurz vor den hier beschriebenen LBT-Beobachtungen in den
Daten des SDSS entdeckt. Sie ist etw a 456.000 Lichtjahre entfernt und ihr Masse-Leuchtkraft-Verhältnis w eist
einen extrem hohen Wert von 332 M Sonne /L Sonne (mit einer Unsicherheit von 50%) auf. Zum Vergleich: Das
Masse-Leuchtkraft-Verhältnis des Milchstraßensystems liegt bei einem Wert von 50 bis 100 M Sonne /L Sonne .
Mehr w ar bis zu den Beobachtungen von Coleman und seinen Kollegen über die Herkules-Zw erggalaxie nicht
bekannt.
Für seine photometrischen Untersuchungen nahm das Team die Herkules-Zw erggalaxie durch drei Filter (B, V
und r) auf. Die Aufnahmeserien erreichten eine untere Grenzhelligkeit von 25,5 mag, sodass für diese Galaxie
erstmals ein nahezu vollständiges Farben-Helligkeits-Diagramm (FHD) erstellt und die gesamte Population
modelliert w erden konnte (Abb. 2). Die besten Werte ergaben sich für eine einzige 13 Milliarden Jahre alte
Sterngeneration mit einer entsprechend geringen Metallizität. Die Entfernung ergab sich zu 132 kpc (430.000
Lj). Diese W erte w urden zunächst für die Sterne im Kernbereich ermittelt.
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Da s Fa rbe n-He lligk e its-Dia gra m m de r Ze ntra lre gion de s
He rk ule s-Zwe rgga la x ie (link s) und die Ste rne e ine r na he n
Fe ldre gion (re chts).
© Ma x -P la nck -Institut für Astronom ie
Mit diesen Werten w urde der Versuch unternommen, die w eiter außen liegenden Sterne ebenfalls zu
identifizieren
–
ein
schw ieriges
Unterfangen,
w eil
in
mehreren
Schritten
Vordergrundsterne
und
Hintergrundgalaxien identifiziert w erden mussten. Letztere konnten zum Großteil eliminiert w erden, w eil sie im
Gegensatz zu den Sternen nicht punktförmig, sondern ausgedehnt erscheinen. Die restlichen, punktförmig
erscheinenden Hintergrundgalaxien konnten aufgrund ihrer Farben ausge sondert w erden. Feldsterne, die
nicht zur Herkules-Zw erggalaxie gehören, ließen sich mithilfe eines Helligkeitskriteriums sow ie durch den
Vergleich mit einem benachbarten Himmelsgebiet ausschließen (Abb. 2 rechts).
Mit diesen beiden Verfahren w urden rund 85% aller Objekte im FHD entfernt. Nun ließ sich die räumliche
Ausdehnung und Struktur der Herkules-Zw erggalaxie ermitteln. W ie Abbildung 3 zeigt, ist dieses Sternsystem
elliptisch geformt mit einem außergew öhnlich großen Achsenverhältnis von 3:1; die Länge der großen
Halbachse beträgt 550 Lichtjahre.
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Die Konturda rste llung de r Ste rndichte in de r He rk ule sZwe rgga la x ie offe nba rt de re n la ngge stre ck te Form .
Ein derart großes Achsenverhältnis w urde bislang bei keiner anderen Zw erggalaxie beobachtet. Lediglich die
65.000 Lichtjahre entfernte Sagittarius-Zw erggalaxie w eist eine ähnlich kuriose Form auf. In diesem Fall liegt
der Ursprung in den starken Gezeitenkräften des Milchstraßensystems. Ein ähnliches Schicksal erleidet auch
die 230.000 Lichtjahre entfernte Ursa-Minor-Zw erggalaxie, deren Achsenverhältnis etw a 2:1 beträgt. Doch
diese beiden Sternsysteme stehen dem Milchstraßensystem viel näher als die Herkules-Zw erggalaxie. Eine
Abschätzung zeigt, dass Gezeitenkräfte die Herkules-Zw erggalaxie nur dann erheblich verformen können,
w enn diese nicht w eiter als 24.000 Lichtjahre vom Milchstraßensystem entfernt ist (alle Entfernungsangaben
beziehen sich auf das Zentrum des Milchstraßensystems). Da der heutige Abstand 400.000 Lichtjahre beträgt,
können Gezeitenkräfte nur dann für die elliptische Form verantw ortlich sein, w enn die Herkules-Zw erggalaxie
das galaktische Zentrum auf einer hoch exzentrischen Bahn (Exzentrizität e > 0.9) umläuft und sich derzeit
etw a an ihrem fernsten Punkt befindet. W eitere Analysen müssen zeigen, ob dieses Modell glaubw ürdig ist.
Die andere Erklärung w äre, dass die elliptische Form die Folge einer schnellen Rotation der Zw erggalaxie ist.
Doch ist kein w eiteres Sternsystem dieser Art bekannt, das auch nur annähernd so schnell rotiert w ie man es
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für die Herkules-Zw erggalaxie fordern müsste. Weitere spektroskopische Beobachtungen sind deshalb nötig,
um diese Möglichkeit zu überprüfen. In jedem Fall aber ist die Herkules-Zw erggalaxie ein überraschendes
Objekt, das Modellen für die Entw icklung des Milchstraßensystems eine w eitere interessante Facette
hinzufügt.
Komplexe Sternentstehungsgeschichten in Canes Venatici I und Leo T
Zw ei w eitere Zw erggalaxien namens Canes Venatici I und Leo T w urden in den Daten des SDSS gefunden.
Canes Venatici I ist mit 730.000 Lichtjahren ebenfalls sehr w eit von unserer Galaxis entfernt und w ar deshalb
auch bisherigen Himmelsdurchmusterungen entgangen. Ihre Masse beträgt 10 7 bis 10 8 Sonnenmassen.
Eine
erste
Untersuchung
bestätigte
zunächst
die
Vermutung, dass
dieses
Sternsystem –
w ie
für
Zw erggalaxien in dieser großen Entfernung üblich – sehr alt ist. Doch dann deutete eine w eitere Arbeit die
Existenz einer jungen Sternpopulation an. Beobachtungen einer internationalen Astronomengruppe um
Rodrigo
Ibata
vom
Observatoire
de
Strasbourg
ließen
zudem
vermuten,
dass
sich
die
beiden
Sternpopulationen auch kinematisch unterscheiden. Eine andere Astronomengruppe konnte diese Vermutung
hingegen nicht bestätigen. Tiefe photometrische Beobachtungen w aren nötig, um die spannende Frage nach
der Existenz zw eier unterschiedlich alter Sternpopulationen zu entscheiden.
Ein Team um Nicolas Martin und Matthew Coleman vom MPIA nahm deshalb die Zw erggalaxie mit der LBC blue
erneut in zw ei Farbfiltern (B und V) bis zu einer Grenzgröße von etw a 25,5 mag auf. Diese Aufnahmen reichten
ca. drei Größenklassen w eiter als die bis dahin vorhanden Daten. Erneut konnten die Sterne auf dem
Riesenast und der Abzw eig alter Sterne von der Hauptreihe vermessen w erden. Nachdem die Daten von
Feldsternen und Hintergrundgalaxien bereinigt w aren, konnten an das FHD berechnete Isochronen der
Sternentw icklung angepasst w erden mit dem Ergebnis, dass Canes Venatici I 719.000 Lichtjahre entfernt ist;
ihre Hauptsternpopulation ist metallarm und etw a 14,1 Milliarden Jahre alt.
Gleichzeitig w urde eine Gruppe von blauen Sternen erkennbar. Diese auch räumlich separate Gruppe befindet
sich etw a 210 Lichtjahre östlich des Zentrums der Zw erggalaxie. Damit scheidet eine mögliche Deutung dieser
blauen Sterne als sogenannte „Blue Stragglers“ aus. Das sind Doppelsterne, die blau erscheinen, aber keine
jungen Sterne sind. Da es aber keinen ersichtlichen Grund für die Annahme gibt, dass sich eine Gruppe von
Blue Stragglers in einem speziellen Bereich einer Zw erggalaxie angesammelt hat, bleibt als einfachste
Erklärung, dass die blauen Objekte junge Sterne sind. Ihr Alter liegt nach Modellrechnungen zw ischen 1,4 und
2 Milliarden Jahren. Diese jungen Sterne scheinen etw as metallreicher zu sein als die der älteren Generation.
Eine genauere Analyse erbrachte für die alte Sterngeneration eine Gesamtleuchtkraft von 35.000 und für die
junge von 3.500 Sonnenleuchtkräften. Umgerechnet bedeutet dies, dass die junge Sternpopulation zur
gesamten stellaren Masse von Canes Venatici I drei bis fünf Prozent beiträgt.
Abbildung 4 zeigt eine Konturdarstellung der mit dem LBT beobachteten alten (rot) und jungen (blau)
Sternpopulation. Ein Vergleich erbrachte eine sehr gute räumliche Übereinstimmung zw ischen der Verteilung
der jungen Population aus der LBT-Studie und den erw ähnten spektroskopischen Untersuchungen der Gruppe
um Ibata. Demnach muss man davon ausgehen, dass die beiden Sterngruppen sich auch kinematisch
unterscheiden. Schon diese ersten Studien offenbaren demnach eine komplexe Entw icklungsgeschichte dieser
w eit entfernten Zw erggalaxie, die schon in Kürze w eitere Beobachtungen nach sich ziehen w ird.
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Konturda rste llung de r Ste rnve rte ilung in C a ne s Ve na tici I.
O be n link s: a lle Ste rne ; re chts: a lte Ste rne (rot); unte n link s:
junge Ste rne (bla u); re chts: be ide P opula tione n.
Die ebenfalls im Rahmen des SDSS entdeckte Zw erggalaxie Leo T stellt an die Beobachtungen erhebliche
Anforderungen, denn mit 1,38 Millionen Lichtjahren ist sie
die
mit Abstand
entfernteste
bekannte
Zw erggalaxie. Auch hier ermöglichten die Aufnahmen mit dem LBT eine tiefgehende Photometrie. Das FHD
(Abb. 5 links) erw ies sich als ziemlich komplex und ließ sich nur als Überlagerung mehrerer Populationen
darstellen. Demnach existiert dort eine sehr junge Sterngeneration mit einem Alter zw ischen 400 Milionen und
einer Milliarde Jahren und eine w esentlich ältere Population. Eine genauere Analyse deutet darauf hin, dass es
in dieser Zw erggalaxie eine lang andauernde Phase der Sternentstehung gab, die vor etw a fünf Milliarden
Jahren endete. Vor etw a einer Milliarde Jahren setzte eine neue Stern entstehungsphase ein, die sich bis vor
etw a 400 Millionen Jahren hinzog. Erstaunlicherw eise änderte sich die Metallizität der Sterne von der ersten
zur zw eiten Sternentstehungsphase nicht signifikant (Abb. 5 rechts).
Link s: Da s Fa rbe n-He lligk e its-Dia gra m m de r Zwe rgga la x ie Le o
T m it Entwick lungsm ode lle n; re chts: Die Entwick lung de r
Ste rne ntste hungsra te und de r Me ta llizitä t.
Diese ersten Beobachtungen haben die Leistungsfähigkeit des LBT eindrucksvoll unter Bew eis gestellt.
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Gleichzeitig erw iesen sich die untersuchten Zw erggalaxien als sehr interessant und die Ergebnisse w erfen
eine Reihe von Fragen auf: Warum haben sich diese Zw erggalaxien so unterschiedlich entw ickelt? W ie lässt
sich ihre Evolution in das gesamte Entw icklungsszenario für unsere Galaxis einfügen? Welche Rolle haben die
Halos aus Dunkler Materie hierbei gespielt?
Diesen Fragen w ird die Gruppe des MPIA w eiter nachgehen. LBT-Beobachtungen der Zw erggalaxien Leo II und
Ursa Major II liegen bereits vor und w erden auf die beschriebene Art und Weise analysiert. Beobachtungen
w eiterer
Zw erggalaxien
w urden
bereits
beantragt,
um
ein
umfassendes
Bild
von
möglichst
allen
Zw erggalaxien zu erhalten. Dies sollte w eitere Aufschlüsse über die Entw icklung dieser lichtschw achen
Sternsysteme geben.
Geplant sind zudem w eitere Beobachtungen der Herkules-Zw erggalaxie, mit denen man der Frage nachgehen
w ill, ob w irklich die Gezeitenkräfte des Milchstraßensystems diese Galaxie verformt haben. Sollte dies der Fall
sein, so müssten sich w eitere Sterne finden lassen, die aus der Galaxie herausgezogen w urden und nun einen
„Gezeitenschw eif“ bilden.
In der Zukunft hoffen die Astronomen, im Rahmen des Projektes PanStarrs 1, an dem das MPIA beteiligt ist,
w eitere Zw erggalaxien zu entdecken. Diese könnten dann ebenfalls mit dem LBT detailliert untersucht
w erden.
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