Die Entwicklung der Satellitengalaxien der Milchstraße

Mehr als ein Dutzend massearmer Galaxien umlaufen unsere Milchstraße als Satelliten-Zwerggalaxien (SDGs). Das heutige Verständnis im Rahmen des akzeptierten kosmologischen Modells der Kalten Dunklen Materie (CDM) verlangt, dass die Vorgänger dieser Zwerggalaxien die Einheiten waren, die durch hierarchisches Verschmelzen massereichere Galaxien aufbauen. Das aber bedeutet, dass die noch existierenden SDGs in der Milchstraßenumgebung die Überbleibsel dieser kosmologischen Bausteine repräsentieren. Obwohl der beobachtete Einfall weniger SDGs in die Milchstraße das Bild unterstützt, dass sich ihre Ansammlung seit den frühen Epochen fortsetzt, sind bis heute nur wenige Sternströme beobachtet worden, die diesen Akkretionseffekt bestätigen. Zusätzlich zum Fehlen der erwarteten kinematischen Signaturen zeigen die heutigen SDGs chemische Zusammensetzungen, die sich deutlich von der beobachteten der Milchstraße unterscheiden. Dies belegt, das der Prozess der Sternentstehung und chemischen Anreicherung in diesen Zwerggalaxien ganz anders verlaufen sein muss. Da umfangreiche Modelle ihrer Entstehung und Entwicklung noch ausstehen, sind andererseits ihre Beiträge zu den stellaren Populationen im Halo der Milchstraße, in ihrem Bulge und ihrer Dicken Scheibe nicht nur unklar, sondern fern jeglicher Schlüssigkeit und daher ein Feld vielfältiger Spekulationen. Darüber hinaus sind die Unterschiede zwischen den SDGs selbst schwer zu erklären und geben keinen Raum, sie in einem einheitlichen und konsistenten Bild der Entstehung und Entwicklung zu verstehen. Nicht nur ihre geringen Massen sind für ihre komplexen Eigenschaften verantwortlich, sondern darüber hinaus, ihre Nähe zu einer Hauptgalaxie und die Entwicklung dieser selbst bestimmen entsprechend die Bildung und Entwicklung der SDGs. Diese Nähe wiederum gestattet es uns, ihre chemische Zusammensetzung, ihre Sternentstehungsgeschichte, ihre Dichtestruktur und Gas-Stern-Zusammen-setzung und ihre innere Dynamik im Detail uns mit ausreichender Genauigkeit zu studieren. Das hier beantragte Projekt beabsichtigt, die Entwicklung von SDGs durch numerische Modelle zu untersuchen und damit die bestehende Lücke im Verständnis der Gründe für die Eigenheiten und Unterschiede der Milchstraßen- SDGs zu verstehen. Chemo-dynamische Modelle können Licht in ihre Entwicklung bringen und die chemischen Häufigkeiten und Häufigkeitsverhältnisse ihrer Sternpopulationen erklären. Für diese Untersuchung werden sowohl gut untersuchte Zwerggalaxien der Lokalen Gruppe als Vergleichsobjekte hergenommen, als auch von uns numerische Modelle erstellt, die die wichtigsten physikalischen Prozesse enthalten, um zu verstehen, ob und unter welchen Bedingungen man Objekte erzeugen kann, die den beobachteten SDG der Milchstraße ähnlich sind. Aus diesem Grund sind genaue chemo-dynamische Simulationen erforderlich, die die inneren Prozesse von Sternen und Gas berücksichtigen, aber auch die äußeren Einflüsse in der Umgebung einer massereichen Galaxie. Die physikalischen Regelmechanismen und Anfangsbedingungen zu identifizieren, die imstande sind, die Entwicklung der SDGs zu unterscheiden und Sternentstehungsgeschichten und chemische Muster zu erzeugen, ähnlich den beobachteten, wird einen tiefen Einblick in das fundamentale Ver-ständnis der Galaxienentwicklung vermitteln.

Im kosmologischen Strukturbildungszenario des Universums besitzt die dominante Population an kalten Dunkle-Materie-Ansammlungen (CDM) deutlich weniger Masse als unsere Milchstraße (MW), die aus einer Billion Sonnenmassen an DM und 200 Mrd. an Sternen und Gas besteht. Während die Kosmologie Tausende dieser kleinen Einheiten vorhersagt, die massereiche Galaxien umkreisen, zeigen Beobachtungen nur 22 um die MW und rund 25 um unsere Nachbargalaxie Andromeda M31. Diese Tatsache wird Missing Satellite Problem genannt und verlangt aufgrund seiner fundamentalen Relevanz für unser kosmologisches Bild dringend eine Erklärung. Darüber hinaus weisen die beobachteten Satellitengalaxien besondere Eigenschaften auf, wie z.B. gleichgerichteten Bahndrehsinn mit ihrer Eigenrotation, alte Sterne, hohe Geschwindigkeiten der Sterne, etc. Die meisten von ihnen sind gasfrei und haben ihre Sternentstehungsgeschichte vor langer Zeit beendet, je näher an der MW desto früher.Aufgrund ihrer sehr geringen Massen im Bereich von 10000 bis zu 100 Mio. der Sonne, mit Ausnahme der Magellanschen Wolken, sind diese Satelliten zu leuchtschwach, um in der Nähe anderer massereicher Galaxien außerhalb der Lokalen Gruppe beobachtet werden zu können. Das heißt aber, dass ihre generelle Existenz unsicher ist, weil ihr Überleben als massearme Objekte gegenüber stellarer Energiefreisetzung hinterfragt werden muss.Wir haben daher eine ausgiebige Untersuchung gestartet, inwieweit numerische Simulationen der Satellitenentwicklung im Einflussbereich einer massereichen Muttergalaxie wie der MW ihre beobachteten Eigenschaften wiedergeben können. Zu diesem Zweck war die Entwicklung eines neuen hochmodernen numerischen 3D Codes mit adaptiver Gitterverfeinerung notwendig, ausgehend von dem existierenden FLASH-code, der die gleichzeitige Behandlung der verschiedenen Galaxienkomponenten erlaubt, DM, Sterne und verschiedene Gase, und ihrer Wechselwirkungen, wie Sternentstehung und -tod. Des Weiteren wird die stellare Abgabe von chemischen Elementen mitbehandelt, um die chemodynamische Entwicklung zu verfolgen, daher cdFLASH genannt. Die die Entwicklung von Satellitengalaxien beeinflussenden physikalischen Prozesse sind hoch-komplex und wirken auf verschiedenen Längen und Zeitskalen. Dies wiederum verlangt Detailuntersuchungen auf verschiedenen Ebenen: 1) Gaswolken beim Durchflug durch heißes, massereiche Galaxien umgebendes Gas hinsichtlich dynamischen Zerreißens, Wärmeleitung und Magnetfeldern; 2) die Reaktion einzelner Zwerggalaxien um ihre Muttergalaxie auf das Auseinanderziehen durch das Gezeitenfeld und auf heißes Halogas; 3) schließlich die Entwicklung eines Gesamtsystems von Satellitengalaxien um massereiche Zentralgalaxien aus kosmologischen Simulationen.Neben der erfolgreichen Code-Entwicklung lieferten diese Detailstudien u.a. folgende sehr spektakuläre Ergebnisse: Massereiche Gaswolken werden bei ihrem Flug durch heißes Gas nicht zerstört; Satellitengalaxien überleben im befremdlichen Umfeld einer massereichen Mutter-galaxis; von einem System von Satellitengalaxien in CDM-Kosmologie sollten mehr Objekte sichtbar überleben als beobachtet werden.