Entwicklung von Spiral-, Balken- und elliptischen Galaxien


1. Grundprinzipien der Galaxienentwicklung

Galaxien entstehen nicht als bereits fertige Spiral- oder Ellipsensysteme. Ihre spätere Gestalt ergibt sich aus dem Zusammenspiel mehrerer Prozesse:

Im heute üblichen kosmologischen Bild wachsen zunächst Halos aus Dunkler Materie. Gas fällt in diese Halos, wird komprimiert, kühlt teilweise ab und bildet Sterne. Ob daraus eine dünne Scheibengalaxie, eine Balkengalaxie oder ein sphäroidales System entsteht, hängt insbesondere vom Drehimpuls des Gases, von der Verschmelzungsgeschichte und von der weiteren Gasversorgung ab. Ruhige Entwicklung begünstigt Scheiben; starke Verschmelzungen und dynamische Störungen begünstigen sphäroidale Systeme. ([arXiv][1])

Wichtig ist dabei:

Die sogenannte Hubble-Stimmgabel ist in erster Linie ein Klassifikationsschema und keine festgelegte zeitliche Entwicklungsreihe.

Eine Spiralgalaxie muss also nicht zwangsläufig über jede Zwischenstufe zu einer elliptischen Galaxie werden.

2. Wie entstehen und entwickeln sich Spiralgalaxien?

2.1 Bildung des Dunkle-Materie-Halos

In der Frühphase wächst ein Halo aus Dunkler Materie durch die Verschmelzung kleinerer Strukturen. Der Halo liefert den grössten Teil des gravitativen Potentials, in dem sich die sichtbare Galaxie bildet.

Dunkle Materie und baryonisches Gas waren ursprünglich innerhalb derselben kosmischen Dichteschwankungen verteilt. Da Dunkle Materie nicht an den Strahlungsdruck gekoppelt war, konnten ihre Überdichten früher wachsen und Dunkle-Materie-Halos bilden. Nach der Entkopplung von Materie und Strahlung strömte das bereits vorhandene baryonische Gas verstärkt in diese Gravitationspotentiale. Dort wurde es verdichtet, teilweise erhitzt und konnte anschliessend durch Strahlungsverluste abkühlen. Das Gas besitzt im Allgemeinen einen Gesamtdrehimpuls, der aus früheren gravitativen Wechselwirkungen und Gezeitenkräften stammt. Aufgrund seines Drehimpulses sammelte es sich häufig in einer rotierenden Scheibe, in der Sterne entstanden.

2.2 Entstehung einer rotierenden Gasscheibe

Beim Einfall verliert das Gas potentielle Energie, kann aber seinen Drehimpuls nicht vollständig verlieren. Deshalb fällt es nicht direkt in das Zentrum, sondern ordnet sich zunehmend in einer rotierenden Scheibe an.

Durch Stösse zwischen Gaswolken wird ungeordnete Bewegung abgebaut. Sterne dagegen können ihre Bewegungsenergie nicht durch direkte Zusammenstösse verlieren. Deshalb kann sich aus Gas eine wesentlich dünnere Scheibe bilden als aus einem bereits vorhandenen ungeordneten Sternsystem.

Eine ausgeprägte Spiralgalaxie entsteht besonders gut, wenn:

Ruhige Gasakkretion und säkulare, also langsame interne Entwicklung spielen daher eine zentrale Rolle beim Aufbau langlebiger Scheibengalaxien. ([arXiv][1])

2.3 Entstehung der Spiralarme

Die Spiralarme bestehen nicht immer aus denselben Sternen. Die Sterne bewegen sich auf ihren Umlaufbahnen durch die Spiralstruktur hindurch oder beteiligen sich zeitweise an kurzlebigen Spiralmoden.

Spiralarme können auf mehrere Arten angeregt werden:

  1. Selbsterregte Instabilitäten der Scheibe

    Kleine Dichtestörungen werden durch die Eigenrotation und Eigengravitation der Scheibe verstärkt. Es entstehen vorübergehende oder sich wiederholt neu bildende Spiralmuster.

  2. Dichtewellenartige Spiralstrukturen

    Die Spiralarme stellen Regionen erhöhter Materiedichte dar. Gas wird beim Durchgang komprimiert, wodurch bevorzugt neue Sterne entstehen.

  3. Gezeitenkräfte benachbarter Galaxien

    Eine nahe vorbeiziehende Galaxie kann ein deutliches zweiarmiges Spiralmuster auslösen.

  4. Kopplung an einen zentralen Balken

    Bei Balkengalaxien können die Spiralarme dynamisch mit den Enden des Balkens verbunden sein.

Beobachtungen und dynamische Modelle sprechen dafür, dass verschiedene Mechanismen nebeneinander auftreten. Nicht alle Spiralarme sind langlebige starre Wellen; viele dürften sich wiederholt bilden, verändern und auflösen. ([Annual Reviews][2])

2.4 Sternentstehung in den Spiralarmen

Das interstellare Gas wird in den Spiralarmen lokal verdichtet. Molekülwolken können dadurch instabil werden und neue Sterne bilden.

Deshalb enthalten Spiralarme häufig:

Die auffällige Helligkeit der Spiralarme entsteht daher nicht ausschliesslich durch eine wesentlich grössere Gesamtmasse, sondern auch durch den überproportionalen Anteil junger, heisser und sehr leuchtkräftiger Sterne.

2.5 Aufbau der Komponenten

Eine entwickelte Spiralgalaxie besteht typischerweise aus:

Dünner Scheibe

Sie enthält Gas, Staub und relativ junge Sterne. Hier findet ein grosser Teil der gegenwärtigen Sternentstehung statt.

Dicker Scheibe

Sie enthält im Mittel ältere Sterne mit grösseren Geschwindigkeiten senkrecht zur Scheibenebene. Sie kann durch frühe turbulente Sternentstehung, kleinere Verschmelzungen und dynamische Erwärmung entstanden sein.

Zentralem Bulge

Ein klassischer Bulge kann durch frühe Verschmelzungen oder schnellen Kollaps entstehen. Ein Pseudobulge kann dagegen langsam aus Scheibenmaterial aufgebaut werden, besonders durch die Wirkung eines Balkens.

Stellarem Halo

Der stellare Halo enthält alte, metallarme Sterne, Kugelsternhaufen und Überreste absorbierter Zwerggalaxien.

Dunkle-Materie-Halo

Dieser umgibt die sichtbare Galaxie weit über die Sternscheibe hinaus und beeinflusst ihre Rotationskurve sowie ihre dynamische Stabilität.

2.6 Langfristige Entwicklung

Eine Spiralgalaxie verändert sich fortlaufend durch säkulare Entwicklung:

Spiralmuster können die radiale Verteilung von Sternen und chemischen Elementen verändern, ohne die Scheibe unmittelbar zu zerstören. Balken sind besonders wirksame Treiber dieses langfristigen Umbaus. ([arXiv][3])

2.7 Mögliche spätere Zustände

Eine Spiralgalaxie kann sich langfristig unterschiedlich entwickeln:

3. Wie entstehen und entwickeln sich Balkengalaxien?

3.1 Balkengalaxien sind Scheibengalaxien

Eine Balkengalaxie ist normalerweise keine grundsätzlich unabhängige Galaxienklasse, sondern eine Spiral- oder linsenförmige Scheibengalaxie mit einer langgestreckten zentralen Sternstruktur.

Der Balken besteht nicht aus einer starren Materiestange. Er wird von Sternen getragen, die sich auf geordneten, langgestreckten Bahnen bewegen. Diese Bahnen sind im rotierenden Bezugssystem des Balkens ähnlich ausgerichtet.

3.2 Entstehung durch eine Scheibeninstabilität

Ein Balken kann entstehen, wenn eine rotierende Sternscheibe gegenüber einer nichtachsensymmetrischen Störung instabil wird.

Eine kleine längliche Dichtestörung verstärkt sich dabei selbst:

  1. Sterne werden auf leicht langgestreckte Bahnen gelenkt.
  2. Die Bahnen richten sich teilweise gemeinsam aus.
  3. Dadurch verstärkt sich das längliche Gravitationspotential.
  4. Dieses Potential richtet weitere Sternbahnen aus.
  5. Ein ausgeprägter Balken wächst.

Ob ein Balken entsteht, hängt unter anderem ab von:

Kosmologische Simulationen bestätigen, dass Balkenbildung eng mit den Eigenschaften der Scheibe und des Dunkle-Materie-Halos sowie mit der gesamten Wachstumsgeschichte gekoppelt ist. ([arXiv][4])

3.3 Balkenbildung durch Wechselwirkungen

Ein naher Vorbeiflug oder eine kleinere Verschmelzung kann ebenfalls eine Balkeninstabilität auslösen oder einen vorhandenen Balken verstärken.

Der Balken ist dann nicht unmittelbar aus der Begleitgalaxie aufgebaut. Vielmehr stört die Begleitgalaxie die Scheibe so stark, dass deren eigene Schwerkraft eine globale Balkenmode entwickelt.

3.4 Drehimpulstransport

Der Balken verändert die Galaxie, weil er Drehimpuls zwischen verschiedenen Komponenten austauscht.

Typischerweise geben die inneren Bereiche Drehimpuls ab. Der äussere Teil der Scheibe und der Dunkle-Materie-Halo können einen Teil davon aufnehmen.

Dadurch kann:

Balken sind deshalb wichtige Motoren der säkularen Galaxienentwicklung. ([arXiv][5])

3.5 Gastransport in das Zentrum

Gas reagiert anders auf den Balken als Sterne. Gaswolken können miteinander stossen, Energie abstrahlen und ihre Bahnen verändern.

Die nichtachsensymmetrische Gravitation des Balkens übt Drehmomente auf das Gas aus. Innerhalb bestimmter Bereiche verliert das Gas Drehimpuls und strömt nach innen.

Das führt häufig zur Bildung von:

Beobachtungen zeigen bei vielen Balkengalaxien erhöhte zentrale Gaskonzentrationen und Sternentstehung. Über Zeiträume von mehreren Milliarden Jahren kann so ein dichter, aber weiterhin scheibenähnlich rotierender Pseudobulge aufgebaut werden. ([arXiv][6])

3.6 Vertikale Instabilität und Box-Peanut-Bulge

Nach seiner Entstehung kann ein starker Balken senkrecht zur Scheibenebene instabil werden. Dabei werden Sternbahnen vertikal ausgelenkt.

Dieser Vorgang wird häufig als Buckling-Instabilität bezeichnet.

Der innere Teil des Balkens verdickt sich und erscheint bei seitlicher Betrachtung:

Ein sogenannter Box-Peanut-Bulge ist daher oft kein klassischer sphäroidaler Bulge, sondern der vertikal verdickte innere Teil des Balkens. Beobachtungen und Simulationen zeigen Entwicklungsabläufe, bei denen zunächst eine Scheibe, anschliessend ein Balken und danach durch Buckling eine verdickte Zentralstruktur entsteht. ([arXiv][7])

3.7 Können Balken wieder verschwinden?

Ein Balken kann sich verändern, abschwächen und möglicherweise zeitweise weitgehend auflösen. Als Ursachen werden diskutiert:

Ein Balken ist jedoch häufig relativ robust. Eine zentrale Massenansammlung zerstört ihn nicht zwangsläufig vollständig. Unter geeigneten Bedingungen kann später erneut ein Balken entstehen.

3.8 Langfristige Entwicklung einer Balkengalaxie

Ein typischer Entwicklungsweg kann lauten:

gasreiche Scheibengalaxie
$\rightarrow$ Balkeninstabilität
$\rightarrow$ Gastransport nach innen
$\rightarrow$ zentrale Sternentstehung
$\rightarrow$ Aufbau eines Pseudobulges
$\rightarrow$ vertikale Verdickung des Balkens
$\rightarrow$ reifere, gasärmere Balken- oder Linsengalaxie

Dieser Ablauf ist möglich, aber nicht zwingend. Wechselwirkungen, neue Gaszufuhr oder Verschmelzungen können die Entwicklung jederzeit verändern.

4. Wie entstehen und entwickeln sich elliptische Galaxien?

4.1 Grundlegende Eigenschaften

Elliptische Galaxien besitzen keine dominante dünne Sternscheibe mit ausgeprägten Spiralarmen. Ihre Sterne bewegen sich überwiegend auf dreidimensional verteilten Bahnen.

Die Form wird daher stärker durch ungeordnete Geschwindigkeitsbewegungen und teilweise durch Rotation gestützt.

Typisch sind:

Nicht jede elliptisch erscheinende Galaxie ist allerdings eine echte Ellipse. Manche Systeme enthalten schwer erkennbare Scheiben und gehören eher zu linsenförmigen oder sogenannten ellicularen Galaxien. ([arXiv][8])

4.2 Entstehung durch grosse Verschmelzungen

Ein wichtiger Bildungsweg ist die Verschmelzung zweier Galaxien ähnlicher Masse, eine sogenannte Major-Merger.

Dabei geschieht Folgendes:

  1. Die Galaxien nähern sich auf gebundenen Bahnen.
  2. Gezeitenkräfte verzerren ihre Scheiben.
  3. Es entstehen Gezeitenschweife und Materiebrücken.
  4. Dynamische Reibung entzieht der Relativbewegung Energie und Drehimpuls.
  5. Die Kerne nähern sich weiter an.
  6. Die Sternsysteme verschmelzen.
  7. Die geordneten Scheibenbahnen werden teilweise in ungeordnete dreidimensionale Bahnen umgewandelt.
  8. Das System erreicht einen neuen dynamischen Gleichgewichtszustand.

Dieser schnelle Umbau der Sternbahnen wird als violent relaxation bezeichnet. Dabei wird die ursprüngliche Scheibenstruktur stark abgeschwächt oder zerstört.

Numerische Simulationen zeigen, dass grosse Verschmelzungen viele photometrische und kinematische Eigenschaften elliptischer Galaxien erzeugen können. Verschmelzungen ungefähr gleich grosser Systeme führen tendenziell eher zu langsam rotierenden, boxigeren Überresten; ungleichere Massenverhältnisse können stärker rotierende und scheibenähnlichere elliptische Systeme erzeugen. ([arXiv][9])

4.3 Gasreiche Verschmelzungen

Enthalten die Ausgangsgalaxien viel Gas, wird dieses während der Begegnung stark komprimiert und in das Zentrum geleitet.

Dadurch kann ein intensiver Sternentstehungsausbruch entstehen. Ein Teil des Gases fällt weiter zum zentralen Schwarzen Loch und kann einen aktiven Galaxienkern speisen.

Die Rückkopplung erfolgt durch:

Diese Prozesse können das verbleibende Gas erhitzen oder aus der Galaxie entfernen. Damit sinkt die Sternentstehungsrate, und der Verschmelzungsüberrest entwickelt sich zu einem gasarmen, zunehmend roten System.

4.4 Gasarme Verschmelzungen

Verschmelzen zwei bereits gasarme Galaxien, spricht man häufig von einem Dry Merger.

Dabei entstehen nur wenige neue Sterne. Hauptsächlich werden vorhandene Sternpopulationen zusammengeführt.

Dry Mergers können:

Solche Verschmelzungen sind besonders für das spätere Wachstum massereicher elliptischer Galaxien relevant. ([arXiv][10])

4.5 Mehrere kleine Verschmelzungen

Eine elliptische Galaxie muss nicht ausschliesslich aus einer einzigen grossen Verschmelzung entstehen.

Viele aufeinanderfolgende Minor Mergers können:

Simulationen zeigen, dass mehrere kleinere Verschmelzungen zusammen Überreste mit elliptischen Eigenschaften erzeugen können. ([arXiv][11])

4.6 Frühe kompakte Vorläufer

Massereiche elliptische Galaxien können einen Teil ihrer Sterne bereits sehr früh und innerhalb kurzer Zeit gebildet haben. Ihre Vorläufer waren vermutlich oft kompakte, gasreiche und stark sternbildende Systeme.

Die weitere Entwicklung kann vereinfacht in zwei Phasen unterteilt werden:

Frühe innere Aufbauphase
Späte äussere Wachstumsphase

Dadurch kann eine elliptische Galaxie stark an Grösse wachsen, ohne dass ihre zentrale Sternmasse im gleichen Verhältnis zunimmt.

4.7 Rolle von Galaxienhaufen

Sehr massereiche elliptische Galaxien findet man häufig in den Zentren von Gruppen und Haufen.

Dort können sie über lange Zeit:

Besonders grosse zentrale Galaxien können daher das Ergebnis einer langen hierarchischen Reihe von Verschmelzungen sein.

4.8 Warum endet die Sternentstehung?

Die geringe Sternentstehung elliptischer Galaxien kann mehrere Ursachen haben:

Eine elliptische Galaxie ist jedoch nicht vollständig unveränderlich. Sie kann kleinere Galaxien aufnehmen und bei neuer Gaszufuhr erneut eine begrenzte Sternentstehungsphase erleben.

5. Direkter Vergleich

Eigenschaft Spiralgalaxie Balkengalaxie Elliptische Galaxie
Grundstruktur rotierende Scheibe mit Spiralarmen rotierende Scheibe mit zentralem Balken dreidimensionales sphäroidales Sternsystem
dominante Sternbewegung geordnete Rotation geordnete Rotation plus Balkenbahnen stärker ungeordnete Bewegung, teilweise Rotation
kaltes Gas häufig reichlich vorhanden häufig vorhanden, wird durch Balken umverteilt meist wenig vorhanden
Sternentstehung besonders in Spiralarmen in Armen, Balkenenden und Zentralringen meist gering
typischer Bildungsweg ruhige Gasakkretion und Scheibenwachstum Instabilität einer vorhandenen Scheibe grosse oder mehrere kleinere Verschmelzungen
interne Entwicklung Spiralmuster und radiale Migration starker Drehimpuls- und Gastransport dynamische Relaxation und spätere Verschmelzungen
Zentralstruktur klassischer Bulge oder Pseudobulge häufig Pseudobulge und Box-Peanut-Struktur sphäroidaler Kern
mögliche spätere Entwicklung Balken-, Linsen- oder elliptisches System gasarme Balken- oder Linsengalaxie weiteres Wachstum durch trockene Verschmelzungen

6. Vereinfachte Entwicklungswege

Ruhige Entwicklung

Dunkle-Materie-Halo
$\rightarrow$ rotierende Gasscheibe
$\rightarrow$ Sternscheibe
$\rightarrow$ Spiralgalaxie

Säkulare Balkenentwicklung

Spiralgalaxie
$\rightarrow$ Scheibeninstabilität
$\rightarrow$ Balkengalaxie
$\rightarrow$ Gastransport zum Zentrum
$\rightarrow$ Pseudobulge und Zentralring

Entwicklung durch grosse Verschmelzung

zwei gasreiche Scheibengalaxien
$\rightarrow$ Gezeitenstörung
$\rightarrow$ Verschmelzung und Starburst
$\rightarrow$ ungeordnetes Sternsystem
$\rightarrow$ elliptische Galaxie

Umweltbedingte Entwicklung

Spiralgalaxie
$\rightarrow$ Verlust der Gasversorgung
$\rightarrow$ Ende der Sternentstehung
$\rightarrow$ gasarme Linsengalaxie

Eine solche Umwandlung erzeugt nicht zwangsläufig eine echte elliptische Galaxie, weil die ursprüngliche Sternscheibe teilweise erhalten bleiben kann. Umweltprozesse können gasreiche Spiral- und irreguläre Galaxien insbesondere in dichten Umgebungen zu gasarmen linsenförmigen oder sphäroidalen Systemen umgestalten. ([arXiv][5])

7. Zentrale Gesamtaussage

Die drei Formen stellen keine einfache, unumkehrbare Altersfolge dar.

Eine einzelne Galaxie kann im Verlauf ihrer Geschichte mehrfach ihre Morphologie verändern. Entscheidend ist nicht allein ihr Alter, sondern die Kombination aus Gasversorgung, Drehimpuls, Scheibenstabilität, Verschmelzungsgeschichte, Rückkopplung und Umgebung.

Links

[1]: "Secular Evolution of Galaxies"
[2]: "Annual Reviews"
[3]: "[1310.0403] Secular Evolution in Disk Galaxies - arXiv.org"
[4]: "[2406.09453] Bar formation and evolution in the cosmological context ..."
[5]: "Secular Evolution in Disk Galaxies"
[6]: "Secular Evolution in Disk Galaxies: The Growth of Pseudobulges and Problems for Cold Dark Matter Galaxy Formation"
[7]: "The GECKOS Survey: on the formation history of a barred galaxy via ..."
[8]: "Early-type galaxy speciation: Elliptical (E) and ellicular (ES ..."
[9]: "Major Mergers and the Origin of Elliptical Galaxies"
[10]: "[astro-ph/0509667] Properties of Early-Type, Dry Galaxy Mergers and the ..."
[11]: "Multiple minor mergers: formation of elliptical galaxies and ..."

Genauer: Frühe Entstehungsphase

1. Woher kommt das Gas (Wasserstoff, Helium, Lithium)?

Das Gas einer jungen Galaxie stammt ursprünglich aus der normalen baryonischen Materie des frühen Universums.

Nach der primordialen Nukleosynthese bestand diese Materie überwiegend aus:

Schwerere Elemente gab es zunächst praktisch nicht. Sie wurden erst später in Sternen und Supernovae erzeugt.

Vor der Entstehung der ersten Galaxien war dieses Gas grossräumig im intergalaktischen Raum verteilt. Es war also nicht bereits in einzelnen fertigen Galaxien konzentriert. Dunkle Materie und Gas gehörten zu denselben anfänglichen, leicht überdichten kosmischen Regionen. NASA beschreibt diese frühe Situation so, dass normale Materie und Dunkle Materie zunächst relativ dünn verteilt waren und sich Dunkle Materie anschliessend zuerst stärker verklumpte. ([NASA][1])

Das Gas einer späteren Galaxie stammt daher aus mehreren Quellen:

  1. aus dem ursprünglichen Gas derselben kosmischen Überdichte,
  2. aus später einströmendem Gas des kosmischen Netzes,
  3. aus gasreichen Zwerggalaxien und Verschmelzungen,
  4. aus Gas, das von Sternen wieder an das interstellare Medium abgegeben wird.

Die ursprüngliche Hauptquelle ist jedoch das primordiale intergalaktische Wasserstoff-Helium-Gas.

2. Waren Gas und Dunkle Materie anfangs vermischt?

Im grossräumigen statistischen Sinn: ja.

Die frühe Materieverteilung enthielt sowohl:

Beide Komponenten lagen in denselben ursprünglichen Dichteschwankungen. Es gab also nicht zuerst eine völlig gasfreie Dunkle-Materie-Kugel, die anschliessend zufällig Gas aus einer anderen Region einsammelte.

Eine gemeinsame überdichte Region aus Dunkler Materie und baryonischer Materie beginnt gravitativ zu kollabieren. Dabei konzentriert sich die Dunkle Materie früher und bildet das dominante Gravitationspotential, in das das Gas anschliessend stärker einströmt.

Ein Überblick zur Galaxie-Halo-Verbindung formuliert ausdrücklich, dass Gas und Dunkle Materie anfangs gut vermischt waren und das Gas später durch Energieverlust in die Zentren der Dunkle-Materie-Halos sank. ([arXiv][2])

3. Warum bildet sich der Dunkle-Materie-Halo zuerst?

Der entscheidende Unterschied liegt nicht darin, dass Dunkle Materie früher existierte. Beide Materiearten waren bereits im frühen Universum vorhanden.

Der Unterschied besteht in ihrer Wechselwirkung mit der Strahlung.

3.1 Baryonische Materie vor der Rekombination

In den ersten ungefähr $380000$ Jahren war die normale Materie ein ionisiertes Plasma aus:

Elektronen streuten die Photonen sehr häufig. Dadurch waren Materie und Strahlung eng gekoppelt.

Der hohe Strahlungsdruck wirkte dem gravitativen Kollaps der baryonischen Materie entgegen. Kleine baryonische Verdichtungen konnten daher nicht ungehindert wachsen. Stattdessen entstanden im Photon-Baryon-Plasma akustische Druckwellen.

3.2 Dunkle Materie vor der Rekombination

Dunkle Materie wechselwirkt nach heutigem Verständnis kaum elektromagnetisch mit Photonen.

Sie war deshalb nicht an den Strahlungsdruck gekoppelt. Kleine Dunkle-Materie-Überdichten konnten schon während der strahlungsdominierten und besonders während der späteren materiedominierten Epoche gravitativ anwachsen.

Dadurch entstanden zunächst flache Potentialmulden beziehungsweise frühe Dunkle-Materie-Konzentrationen.

NASA fasst den Ablauf im $\Lambda$CDM$-Modell so zusammen: Kalte Dunkle Materie beginnt in überdichten Regionen zu kollabieren; baryonische Materie kollabiert anschliessend in diese Halos. ([LAMBDA][3])

4. Was geschieht nach der Rekombination?

Nach ungefähr $380000$ Jahren kühlte das Universum so weit ab, dass sich Elektronen und Atomkerne zu neutralen Atomen verbanden.

Dadurch:

Nun fiel das Gas bevorzugt in die bereits ausgeprägteren Potentialmulden der Dunklen Materie.

Vereinfacht:
$\text{ursprüngliche gemeinsame Überdichte}$
$\rightarrow$ $\text{Dunkle Materie wächst früher zu einer Potentialmulde}$
$\rightarrow$ $\text{Gas entkoppelt von der Strahlung}$
$\rightarrow$ $\text{Gas fällt verstärkt in die Dunkle-Materie-Überdichte}$
$\rightarrow$ $\text{Gas wird verdichtet und erhitzt}$
$\rightarrow$ $\text{Gas kühlt ab und bildet Sterne}$

5. Bildet sich der Halo um das Gas?

Das "Gas" war schon vorhanden, aber zunächst:

Die Dunkle Materie bildete also keinen Halo um eine bereits existierende Gasgalaxie. Vielmehr kollabierten Dunkle Materie und Gas aus derselben ausgedehnten Materieregion, wobei die Dunkle Materie den Kollaps dynamisch anführte.

Der Halo entsteht somit nicht „um das Gas“, sondern beide Komponenten entwickeln sich gemeinsam, jedoch mit unterschiedlichen Kollapszeiten und unterschiedlicher Physik.

Dunkle Materie und baryonisches Gas waren ursprünglich innerhalb derselben kosmischen Dichteschwankungen verteilt. Da Dunkle Materie nicht an den Strahlungsdruck gekoppelt war, konnten ihre Überdichten früher wachsen und Dunkle-Materie-Halos bilden. Nach der Entkopplung von Materie und Strahlung strömte das bereits vorhandene baryonische Gas verstärkt in diese Gravitationspotentiale. Dort wurde es verdichtet, teilweise erhitzt und konnte anschliessend durch Strahlungsverluste abkühlen. Aufgrund seines Drehimpulses sammelte es sich häufig in einer rotierenden Scheibe, in der Sterne entstanden.

6. Warum bleibt die Dunkle Materie ausgedehnt, während das Gas ins Zentrum sinkt?

Hier liegt ein weiterer wichtiger Unterschied.

Dunkle Materie

Dunkle Materie gilt als nahezu kollisionsfrei. Ihre Teilchen:

Beim gravitativen Kollaps gewinnt die Dunkle Materie Bewegungsenergie. Da sie diese nicht abstrahlen kann, bleibt sie auf weit ausgedehnten, dreidimensionalen Bahnen.

Das Ergebnis ist ein grosser, ungefähr kugeliger Halo.

Gas

Gas ist kollisional. Gasteilchen:

Das Gas kann somit Energie verlieren, während sein Drehimpuls teilweise erhalten bleibt. Es sinkt tiefer in das Gravitationspotential und bildet häufig eine rotierende Scheibe.

Daraus ergibt sich:
$\text{Dunkle Materie}$ $\rightarrow$ $\text{ausgedehnter~kugeliger~Halo}$
und
$\text{Gas}$ $\rightarrow$ $\text{kompaktere~rotierende~Galaxienscheibe}$

Analytische Modelle der Scheibenbildung beschreiben genau diesen Prozess: Gas bewegt sich im Potential eines Dunkle-Materie-Halos nach innen und sammelt sich aufgrund seines Drehimpulses in einer rotierenden Scheibe. ([arXiv][4])

7. Der Halo wird später auch durch das Gas verändert

Die Entwicklung ist keine reine Einbahnstrasse.

Zunächst dominiert die Dunkle Materie die Bildung des Gravitationspotentials. Später verändert die baryonische Materie ihrerseits die Dunkle-Materie-Verteilung.

Beispielsweise kann ein starker Gaseinfall:

Dieser Prozess wird häufig als adiabatische Kontraktion bezeichnet.

Umgekehrt können schnelle Gasbewegungen durch:

das Gravitationspotential verändern und Dunkle Materie nach aussen verdrängen. Dadurch kann ein ursprünglich steiles Dichteprofil abgeflacht werden.

Deshalb spricht man heute häufig von einer Koentwicklung von Galaxie und Dunkle-Materie-Halo. Der Halo bildet das gravitative Grundgerüst, aber Sternentstehung, Gaszufluss und Rückkopplung verändern anschliessend auch den Halo selbst. ([arXiv][5])

8. Zeitlicher Gesamtüberblick

Phase Dunkle Materie Normale Materie
frühes Universum diffus mit kleinen Überdichten Plasma mit kleinen Überdichten
vor der Rekombination Überdichten können wachsen durch Photonendruck am Kollaps gehindert
nach der Rekombination bildet wachsende Potentialmulden neutrales Gas folgt zunehmend der Gravitation
erste Halos ausgedehnter Dunkle-Materie-Halo Gas strömt in denselben Überdichtebereich
Protogalaxie dominiert das Gesamtpotential Gas kühlt und verdichtet sich
junge Galaxie bleibt grossräumiger Halo bildet Sterne, Scheibe und Zentralbereich
spätere Entwicklung wächst durch Akkretion und Verschmelzungen verändert durch Rückkopplung auch den Halo

Kernaussage

Das Gas kam nicht erst nachträglich aus dem Nichts hinzu. Es war von Anfang an als baryonische Materie in denselben kosmischen Regionen wie die Dunkle Materie vorhanden.

Aber:

Die Dunkle Materie konnte früher verklumpen. Deshalb bildete sie zuerst das dominante gravitative Gerüst. Das Gas folgte diesem Potential nach der Entkopplung von der Strahlung, kühlte ab und bildete die sichtbare Galaxie.

Links

[1]: "NASA Reveals New Details About Dark Matter’s Influence on Universe"
[2]: "The Connection between Galaxies and their Dark Matter Halos"
[3]: "LAMBDA - ΛCDM Model of Cosmology - NASA"
[4]: "Baryonic Collapse within Dark Matter Halos and the Formation of Gaseous Galactic Disks"
[5]: "The Connection between Galaxies and their Dark Matter Halos"