Dichtewellen erzeugen Spiralstruktur

Beobachtungen belegen erstmals direkt, dass Dichtewellen die Spiralarme einer Galaxie hervorgerufen haben. Solche Wellen lassen die Materiedichte – ähnlich wie Schallwellen, nur in viel größerem Maßstab – periodisch schwanken. Die verwendete Methode würde es künftig erlauben, auch andere physikalische Prozesse bei der Entstehung von Spiralarmen zu untersuchen, schreiben die beteiligten Wissenschaftler im Fachblatt „Nature Astronomy“.

„Es ist immer noch eine offene Frage, wie sich Spiralarme in Galaxien genau bilden“, erläutern Thomas Peterken von der University of Nottingham in Großbritannien und seine Kollegen. „Wir nehmen gemeinhin an, dass zumindest in Galaxien mit zwei symmetrischen Spiralarmen langsam in der Galaxienscheibe umlaufende Dichtewellen die Ursache sind.“ Denn durch sie erhöht sich die Dichte in bestimmten Regionen. Gaswolken in diesen Gebieten stürzen unter der eigenen Schwerkraft zusammen und es bilden sich vermehrt Sterne. Aus der Ferne betrachtet erscheinen diese Sternentstehungsregionen mit ihren vielen jungen und hellen Sternen dann als Spiralarme.

Doch bislang fehlte ein direkter Nachweis für dieses Szenario. Denn die Bewegung der Dichtewellen ist so langsam, dass sie sich nicht messen lässt. Peterken und seine Kollegen haben nun einen alternativen Weg gefunden: Die neu entstandenen Sterne bewegen sich vom Wellenberg der Dichtewelle weg – wohin und wie schnell hängt von den relativen Geschwindigkeiten der Sterne sowie der Geschwindigkeit der Dichtewelle ab, so die Forscher. Aus dem Abstand zwischen Sternen unterschiedlichen Alters und der Dichtewelle lasse sich daher die Geschwindigkeit der Dichtewelle ableiten.

Dieses Verfahren haben die Wissenschaftler um Peterken nun auf die etwa 400 Millionen Lichtjahre von uns entfernte Galaxie UGC 3825 angewendet. Dabei griff das Team auf hochaufgelöste Spektren der Galaxie zurück, die im Rahmen des Sloan Digital Sky Survey am Apache Point Observatory in den USA gewonnen worden waren. Wie sich zeigte, hängt die Winkelgeschwindigkeit der Dichtewelle nicht merklich vom Abstand vom Galaxienzentrum ab. Und genau das ist eine der zentralen Vorhersagen der Dichtewellentheorie. „Zumindest für UGC 3825 ist die beobachtete Spiralstruktur also konsistent mit einer Entstehung durch eine quasistationäre Dichtewelle“, so Peterken und seine Kollegen.

Beobachtungen an anderen Galaxien könnten künftig ein komplettes Bild dieses Prozesses liefern. Allerdings kann die Dichtewellentheorie nicht für alle unterschiedlichen Galaxientypen die Spiralstruktur erklären. Dank der neuen Methode ließen sich den Wissenschaftlern zufolge nun aber auch weitere physikalische Prozesse, die zur Entstehung von Spiralarmen führen, durch Beobachtungen überprüfen.