In diesem Bild ist der Fall einer blauen ultradiffusen Galaxie in ein Galaxiensystem und ihr anschließender Auswurf als rote ultradiffuse Galaxie dargestellt. Bildnachweis: MIT
Die Ergebnisse liefern eine Blaupause, um solche Systeme in den ruhigeren, leereren Regionen des Universums zu finden.
Zwerggalaxien sind per Definition klein und schwach, mit nur einem Bruchteil der Sterne, die in der Milchstraße und andere Galaxien. Allerdings gibt es auch Riesen unter den Zwergen: Ultra-diffuse Galaxien, kurz UDGs, sind Zwergsysteme, die relativ wenige Sterne enthalten, aber über weite Regionen verstreut sind. Da sie so diffus sind, sind diese Systeme schwer zu entdecken, obwohl die meisten in Haufen größerer, hellerer Galaxien versteckt gefunden wurden.
Jetzt Astronomen aus MIT, der University of California in Riverside und anderswo haben detaillierte Simulationen verwendet, um „gelöschte“ UDGs zu entdecken – eine seltene Art von Zwerggalaxie, die keine Sterne mehr erzeugt. Sie identifizierten mehrere solcher Systeme in ihren Simulationen und fanden heraus, dass sich die Galaxien nicht in Haufen befanden, sondern eher in Leeren verbannt wurden – ruhigen, fast leeren Regionen des Universums.
Diese Isolation widerspricht den Vorhersagen der Astronomen, wie sich gelöschte UDGs bilden sollten. Also nutzte das Team dieselben Simulationen, um die Entwicklung der Zwergsysteme zurückzuspulen und genau zu sehen, wie sie entstanden sind.
Die Forscher fanden heraus, dass gelöschte UDGs wahrscheinlich in Halos aus Dunkler Materie mit ungewöhnlich hohem Drehimpuls verschmelzen. Wie eine Zuckerwattemaschine könnte diese extreme Umgebung Zwerggalaxien herausgesponnen haben, die sich anomal ausgestreckt hatten.
Diese UDGs entwickelten sich dann innerhalb von Galaxienhaufen, wie die meisten UDGs. Aber Interaktionen innerhalb des Clusters haben die Zwerge wahrscheinlich in die Leere geschleudert, was ihnen weite, Bumerang-ähnliche Flugbahnen bescherte, die als "Backsplash" -Orbits bekannt sind. Dabei wurde den Galaxien das Gas entzogen, wodurch die Galaxien „gelöscht“ wurden und keine neuen Sterne mehr produzieren konnten.
Die Simulationen zeigten, dass solche UDGs häufiger vorkommen sollten als beobachtet. Die Forscher sagen ihre Ergebnisse, die heute in . veröffentlicht wurden Natur Astronomie, liefern eine Blaupause für Astronomen, um in den Leeren des Universums nach diesen zwergartigen Riesen zu suchen.
„Wir streben immer nach einem vollständigen Konsens über die Galaxien, die wir im Universum haben“, sagt Mark Vogelsberger, außerordentlicher Professor für Physik am MIT. „Diese Studie fügt eine neue Population von Galaxien hinzu, die die Simulation tatsächlich vorhersagt. Und wir müssen sie jetzt im realen Universum suchen.“
Vogelsberger leitete die Studie gemeinsam mit Laura Sales von UC Riverside und José A. Benavides vom Institut für Theoretische und Experimentelle Astronomie in Argentinien.
Rot vs. Blau
Die Teams search Die Suche nach gelöschten UDGs begann mit einer einfachen Untersuchung von UDG-Satelliten – ultradiffusen Systemen, die sich außerhalb von Galaxienhaufen befinden. Astronomen gehen davon aus, dass UDGs innerhalb von Galaxienhaufen gelöscht werden sollten, da sie von anderen Galaxien umgeben wären, die im Wesentlichen das bereits diffuse Gas der UDGs auslöschen und die Sternenproduktion unterbinden würden. Ausgelöschte UDGs in Clustern sollten dann hauptsächlich aus alten Sternen bestehen und eine rote Farbe haben.
Wenn UDGs außerhalb von Haufen, in der Leere, existieren, wird erwartet, dass sie weiterhin Sterne produzieren, da es kein konkurrierendes Gas von anderen Galaxien geben würde, um sie zu löschen. Es wird daher vorhergesagt, dass UDGs in der Leere reich an neuen Sternen sind und blau erscheinen.
Als das Team frühere Entdeckungen von UDG-Satelliten außerhalb von Clustern untersuchte, stellte es fest, dass die meisten wie erwartet blau waren – aber einige waren rot.
„Das hat unsere Aufmerksamkeit erregt“, sagt Sales. „Und wir dachten: ‚Was machen die da? Wie sind sie entstanden?' Es gab keine gute Erklärung.“
Galaktischer Würfel
Um eine zu finden, suchten die Forscher nach TNG50, einer detaillierten kosmologischen Simulation der Galaxienentstehung, die von Vogelsberger und anderen am MIT und anderswo entwickelt wurde. Die Simulation läuft auf einigen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt und soll einen großen Teil des Universums unter Bedingungen entwickeln, die denen kurz nach dem Urknall bis zum heutigen Tag.
Die Simulation basiert auf grundlegenden Prinzipien der Physik und den komplexen Wechselwirkungen zwischen Materie und Gas, und ihre Ergebnisse haben sich in vielen Szenarien als übereinstimmend mit dem gezeigt, was Astronomen im realen Universum beobachtet haben. TNG50 wurde daher als genaues Modell dafür verwendet, wie und wo sich viele Arten von Galaxien im Laufe der Zeit entwickeln.
In ihrer neuen Studie verwendeten Vogelsberger, Sales und Benavides TNG50, um zunächst zu sehen, ob sie gelöschte UDGs außerhalb von Galaxienhaufen erkennen konnten. Sie begannen mit einem Würfel des frühen Universums mit einer Breite von etwa 150 Millionen Lichtjahren und führten die Simulation bis heute durch. Dann durchsuchten sie die Simulation speziell nach UDGs in Hohlräumen und fanden heraus, dass die meisten der entdeckten wie erwartet blau waren. Aber eine überraschende Zahl – etwa 25 Prozent – war rot oder gelöscht.
Sie nahmen diese roten Satellitenzwerge ins Visier und verwendeten dieselbe Simulation, diesmal als eine Art Zeitmaschine, um zu sehen, wie, wann und wo diese Galaxien entstanden sind. Sie fanden heraus, dass die Systeme anfangs Teil von Clustern waren, aber irgendwie ins Leere geschleudert wurden, auf einer eher elliptischen „Backsplash“-Umlaufbahn.
„Diese Bahnen ähneln denen von Kometen in unserem Sonnensystem“, sagt Sales. „Einige gehen raus und kreisen wieder um, andere kommen vielleicht einmal herein und dann nie wieder. Gelöschte UDGs hatten aufgrund ihrer elliptischen Umlaufbahn selbst während des gesamten Zeitalters des Universums keine Zeit, zurückzukehren. Sie sind immer noch da draußen auf dem Feld.“
Die Simulationen zeigten auch, dass die rote Farbe der gelöschten UDGs von ihrem Ausstoß herrührte – ein heftiger Prozess, der das Sternentstehungsgas der Galaxien entfernte und es gelöscht und rot hinterließ. Das Team ließ die Simulationen weiter in die Vergangenheit laufen und beobachtete, dass die winzigen Systeme, wie alle Galaxien, aus Halos aus dunkler Materie entstanden sind, in denen Gas zu galaktischen Scheiben verschmilzt. Aber bei gelöschten UDGs schienen sich die Halos schneller als normal zu drehen und erzeugten gestreckte, ultra-diffuse Galaxien.
Jetzt, da die Forscher ein besseres Verständnis davon haben, wo und wie gelöschte UDGs entstanden sind, hoffen sie, dass Astronomen ihre Ergebnisse nutzen können, um Teleskope abzustimmen, um mehr solcher isolierten Roten Zwerge zu identifizieren – von denen die Simulationen vermuten, dass sie in größerer Zahl lauern als Astronomen haben weit erkannt.
„Es ist schon überraschend, dass die Simulationen wirklich all diese sehr kleinen Objekte erzeugen können“, sagt Vogelsberger. „Wir sagen voraus, dass es da draußen mehr von dieser Art von Galaxie geben sollte. Das macht unsere Arbeit sehr spannend.“
Weitere Informationen zu dieser Forschung finden Sie unter Astronomen entdecken Ursprung schwer fassbarer ultradiffuser Galaxien.
Referenz: „Ruhige ultradiffuse Galaxien im Feld, die aus Backsplash-Bahnen stammen“ von José A. Benavides, Laura V. Sales, Mario. G. Abadi, Annalisa Pillepich, Dylan Nelson, Federico Marinacci, Michael Cooper, Rüdiger Pakmor, Paul Torrey, Mark Vogelsberger und Lars Hernquist, 6. September 2021, Natur Astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-021-01458-1
