Struktur und Aufbau von elliptischen Galaxien

Elliptische Galaxien sind die leuchtkräftigsten und massivsten stellaren Aggregate im Universum. Diese Klasse von Galaxien befindet sich hauptsächlich in großen Galaxienhaufen, wo sie auch die dominierende Galaxienpopulation darstellt. Elliptische Galaxien erscheinen als homogene Objekt-klasse und sind dadurch auch über große Entfernungen hinweg identifizierbar. Sie sind relaxierte Systeme und die im Universum vielleicht am weitesten entwickelten Systeme. Damit kommt ihnen auch für kosmologische Aspekte eine wichtige Bedeutung zu. Trotz ihrer scheinbar einfachen Struktur haben sich elliptische Galaxien als komplexe Systeme erwiesen, die eine Reihe fundamentaler astrophysikalischer Fragen adressieren. Das vorliegende Forschungsprojekt beschäftigt sich mit grundlegenden Fragen zum Verständnis der Natur und Entwicklung elliptischer Galaxien als Klasse: Wie komplex sind elliptische Galaxien aufgebaut? Im klassischen Bild werden sie durch eine einzige, dominant alte Sternpopulation erklärt. Eine stellare Population beinhaltet eine Klasse von Sternen, die vermutlich unter gleichen Bedingungen entstanden ist. Somit beschreiben Sternpopulationen nicht nur das Alter einer Galaxie, sondern lassen auch vergleichende Studien als Funktion der Rotverschiebung zu. Über stellardynamische Prozesse kann das Potentialfeld einer elliptischen Galaxie studiert werden und damit der radiale Verlauf des Masse-zu- Leuchtkraft-verhältnis bestimmt werden. Hoch aufgelöste spektroskopische Beobachtungen über einen ausgedehnten Wellenlängenbereich werden neue Rückschlüsse über die Zusammensetzung stellarer Populationen in elliptischen Galaxien zulassen. So wird es möglich sein, mit einer neu entwickelten Entfaltung der Geschindigkeitsverteilung entlang der Sichtrichtung, die kinematischen Signaturen von Zwerg- und Riesensternpopulationen zu unterscheiden. Die Bedeutung des interstellaren Mediums in elliptischen Galaxien ist bisher vernachlässigt worden, da diese Systeme allgemein als alt und gasarm betrachtet wurden. Beobachtungen der letzten Jahre zeigen jedoch ein komplexes, multiphasen Gasmedium. Spektroskopie über einen ausgedehnten Spektralbereich (Röntgen, UV, optisch, IR und Radiobereich) wird Rückschlüsse auf wichtige physikalische Prozesse, im besonderen lonisationsmechanismen im interstellaren Medium, zulassen. Ein weiterer, wichtiger Aspekt ist, dass das Emissionslinienspektrum eine Metalliziätsbestimmung zuläßt, die mit stellaren Bestimmungen verglichen werden kann. Elliptische Galaxienkerne sind Zonen hoher stellarer Dichte, in denen explosionsartig ablaufende Sternentstehung (sog. starbursts) beobachtet werden kann und die auch supermassive Schwarze Löcher beherbergen können. Die Beziehung nuklearer zu extranuklearer Aktivität, wie zum Beispiel die Nährung eines aktiven Galaxienkerns durch Akkretion externen Materials, ist noch nicht endgültig geklärt. Global haben Wechselwirkungen, wie Kollisionen zwischen Galaxien, sehr wohl Einflüsse auf deren physikalischen Eigenschaften und können auch den ursprünglichen morphologischen Typ einer Galaxie verändern. Dazu sollen die physikalischen Eigenschaften von elliptischen Galaxien in kompakten Gruppen studiert werden, wo offensichtliche Interaktion zwischen Gruppenmitgliedern erfolgt. Die Natur der zwergelliptischen Galaxien und ihre Beziehung zu den "normalen" elliptischen Galaxien ist nicht geklärt. Neue Beobachtungen sollen Rückschlüsse auf deren dreidimensionale Struktur geben. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist die Analyse des dunklen Materiehalos in dieser Objektklasse. Es ist beabsichtigt, zwergelliptische Galaxien als "Testobjekte" für das heute gültige kosmologische Modell eines Universums, das durch kalte dunkle Materie ("cold dark matter") dominiert ist, zu verwenden.

Elliptische Galaxien sind die leuchtkräftigsten und massereichsten stellaren Systeme im Universum und erscheinen als die vielleicht homogenste Objektklasse. In der Galaxienentwicklung stellen elliptische Galaxien als relaxierte stellare Systeme einen Endpunkt dar. Deswegen sind elliptische Galaxien exzellente Referenzobjekte in der Kosmologie. Die Struktur und physikalische Eigenschaften der Klasse elliptischer Galaxien wurden an Hand hoch aufgelöster Beobachtungen mit erdgebundenen Teleskopen und astronomischen Satelliten zusammen mit chemischen und dynamischen Modellen untersucht. Elliptische Galaxien erscheinen dabei in ihrer Morphologie, Dynamik und chemischen Zusammensetzung als sehr komplexe Systeme. Die spektroskopische Analyse von nahen elliptischen Galaxien ergab für die stellare Population Alter bis zu 15 Milliarden Jahre. Junge Objekte (jünger als 4 Milliarden Jahre) wurden nur in Galaxiengruppen gefunden. Die Alter von elliptischen Galaxien in Galaxienhaufen sind hingegen nicht jünger als 5 Milliarden Jahre. Entgegen der Erwartung ist die stellare Population in elliptischen Galaxien nicht gut durchmischt, sondern es konnten Metallizitätsgradienten nachgewiesen werden. Die Kernregionen sind dabei signifikant jünger als die Peripherie einer elliptischen Galaxie. Der Großteil der Entwicklung einer Galaxie spielt sich im Umfeld von Galaxiengruppen ab, in denen elliptische Galaxien mögliche Endstadien des Entwicklungsweges einer Galaxiengruppe darstellen. In der frühen Entwicklungsphase einer Galaxiengruppe dominieren Scheibensysteme ein loses Galaxienaggregat wie z.B. die Lokale Gruppe. Solche Systeme zeigen oft Substrukturen, aus denen sog. Kompakte Galaxiengruppen hervorgehen könnten. Wechselwirkungen zwischen den Galaxien spielen in der Entwicklung einer Galaxiengruppe eine wesentliche Rolle. Die Endprodukte bilden dann elliptische Galaxien, die in ein heißes, diffuses Gasmedium eingebettet sind, von einer Population von Zwerggalaxien umgeben sind und in der Folge von Galaxienhaufen akkretiert werden können. Galaxienhaufen sind durch zwergelliptische Galaxien anzahlmäßig dominiert, deren Eigenschaften sich allerdings von denen von massereichen elliptischen Galaxien unterscheiden. Galaxienwechselwirkungen spielen in der Entwicklung von zwergelliptischen Galaxien eine wesentliche Rolle, deren Signaturen (kinematisch entkoppelte Galaxienkerne, "Warps" in der stellaren Scheibe) oft beobachtet werden. Sonst sind zwergelliptische Galaxien nur in ihrer Frühphase durch moderate Sternentstehung dominiert und verlieren sehr schnell ihr Gas durch Supernova- getriebene galaktische Winde.