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(Main) NGC 253, die Sculptor-Galaxie, um die der Amateurastronom Giuseppe Donatiello acht sariellitische Zwerggalaxien entdeckt hat (inset) die nie Zwerggalaxien, die Donatiellos Namen tragen (Bildnachweis: DECam/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA, G. Donatiello/ UAI – SNR Profondo Cielo)

Ein italienischer Amateurastronom hat fünf neue Zwerggalaxien um eine weit entfernte Spiralgalaxie entdeckt – eine Spirale, die eine der größten Galaxien am Himmel über der Erde ist. Sein Name ist Giuseppe Donatiello, und diese fünf Zwerggalaxien tragen nun die Namen Donatiello V, Donatiello VI, Donatiello VII, Donatiello VIII und Donatiello IX (Do V, Do VI, Do VII, Do VIII und Do IX).

„Von den elf Entdeckungen tragen neun Galaxien meinen Namen. Meines Wissens bin ich der erste und einzige Amateurastronom, der Galaxien nach sich benannt hat“, so Donatiello gegenüber kosmischeweiten.de. „Alles begann mit der ersten Entdeckung im Jahr 2016, als ich in meinen Astrofotografien etwas fand, das wir Donatiello I nennen. Obwohl das ungewöhnlich war, erhielt die neue Galaxie meinen Namen, und das war eine große Freude.“

Die neu entdeckten Satellitengalaxien gesellen sich zu den drei Zwerggalaxien, die Donatiello um die Galaxie Sculptor, die offiziell als NGC 253 bekannt ist, entdeckt hat – und sie sind in vielerlei Hinsicht auch aus anderen Gründen als ihrer Nomenklatur interessant.

Ultraschwache kleine Galaxien wie diese, die im Durchschnitt 11,5 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt sind, sind nicht nur schwer zu entdecken, sondern könnten den Astronomen auch dabei helfen, die ältesten Sterne in unserem Universum zu erforschen, die Natur und Verteilung der dunklen Materie zu entschlüsseln und vielleicht sogar die aktuellen Modelle der Kosmologie zu beeinflussen.

„Im Allgemeinen sind Zwerggalaxien Objekte, die eine sehr geringe Leuchtkraft aufweisen. Es genügt zu sagen, dass viele Satelliten der Milchstraße schwer zu entdecken sind, weil sie in den Sternfeldern gut getarnt sind“, so Donatiello. „Bei äußeren Galaxien wird dies zunehmend schwieriger. Schon bei wenigen Megaparsec [ein Megaparsec entspricht etwa 3,3 Millionen Lichtjahren] sind die schwächsten Zwerggalaxien im Hintergrund des Himmels verschwunden.

„Jede neue Entdeckung ist daher sowohl für die Zählung als auch für eine bessere Kenntnis dieser Systeme und ihrer Entwicklung wichtig.“

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Wo sind die ganzen Zwerggalaxien?

Wie Donatiello erklärt, hat die Milchstraße ihre eigenen Satelliten-Zwerggalaxien. Bis 1999 wussten die Astronomen jedoch nur von etwa einem Dutzend Zwerggalaxien in der Umgebung unserer Galaxie – doch dank der Entdeckungen, die ab 2004 gemacht wurden, wissen wir heute von etwa 60 Satellitengalaxien in unserem Reich. Das ist interessant, denn es könnte uns etwas über die Dynamik der dunklen Materie verraten.

„Wir wissen, dass große Galaxien im Zentrum von Halos aus dunkler Materie liegen müssen, die sich weit über die Größe der Sternscheibe hinaus erstrecken“, so Donatiello. „Kosmologen zufolge wurden diese Halos zuerst gebildet und fungierten als Gravitationsquelle für das neutrale Gas am Ursprung der allerersten Sterne, wodurch die ersten Galaxien entstanden.

„Einige dieser Halos wurden durch die Schwerkraft dominant und wirkten als Attraktor für andere Halos in der Nähe. Dieser Prozess aktivierte die hierarchische Bildung von großen Galaxien. Darüber hinaus enthält jeder Halo eine Reihe von Mini-Halos, die ihrerseits das kosmische Gerüst für Satellitengalaxien bildeten.“

Es gibt jedoch ein kleines Rätsel, wenn es um Satellitengalaxien geht. Es hat mit einem in der Kosmologie sehr beliebten Modell zu tun, das als Lamba-Modell der kalten dunklen Materie (LCDM) bekannt ist und besagt, dass es eigentlich Tausende von Satellitengalaxien um die Milchstraße und andere große Galaxien geben müsste. Tatsächlich sagen Simulationen, die mit dem LCDM-Modell durchgeführt wurden, voraus, dass unsere Nachbargalaxie Andromeda von 500 bis 1.000 Satellitengalaxien umgeben sein sollte. Die Astronomen haben jedoch nur 39 Galaxien in der Umgebung von Andromeda gesehen – darunter Pisces VII und Pegasus V, die von Donatiello selbst entdeckt wurden.

Die von Giuseppe Donatiello entdeckten Zwerggalaxiensatelliten von Andromeda (Bildnachweis: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA, G. Donatiello)

„Diese Diskrepanz ist als das ‚Problem der fehlenden Satelliten‘ bekannt geworden. Nach 25 Jahren gibt es immer noch keine überzeugende Lösung, denn trotz der Entdeckung ultraschwacher Galaxien ist ihre Zahl nach wie vor ausgesprochen gering“, erklärte Donatiello. „Es gibt immer noch deutlich weniger Zwerggalaxien als erwartet, also bleibt das Problem bestehen: Wo sind sie alle?“

Dieses Dilemma hat Wissenschaftler zu der Frage veranlasst, ob das LCDM-Modell tatsächlich vorhersagen kann, dass die dunkle Materie als Gerüst für die Bildung der größten Strukturen im Universum fungiert, aber bei der Untersuchung des Kosmos in kleineren Maßstäben zusammenbricht. Warum sollte es nicht gelingen, eine ausreichende Anzahl von Zwerggalaxien um große Galaxien herum zu entdecken?

Das Studium von Zwerggalaxien ist für unser Verständnis der galaktischen Entwicklung von entscheidender Bedeutung, da es uns auch helfen könnte, die grausamen kannibalistischen Prozesse zu verstehen, die größere Galaxien wie die Milchstraße und Andromeda zu ihrem Wachstum genutzt haben.

„Bei einem der Satelliten von NGC 253, Scl-MM-dw2, wurde bereits beobachtet, dass er durch die Gezeiten zerstört wird, während er von der Sculptor-Galaxie absorbiert wird“, sagte Donatiello und erklärte, dass die Galaxie deutliche Anzeichen einer kürzlichen Interaktion sowie Hinweise auf stellare Ströme zeigt, die sich auf Sterne beziehen, die durch Gravitationswechselwirkungen mit einer größeren Galaxie aus einer Zwerggalaxie herausgezogen werden.

Die Zwerggalaxien Donatiello I bis Donatiello IX, gesehen vom Dark Energy Spectroscopic Instrument. (Bildnachweis: DECam/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA, G. Donatiello)

Um zu untersuchen, ob die LCDM-Modelle möglicherweise überarbeitet werden müssen oder ob die Anstrengungen zur Suche nach Zwerggalaxien in der Umgebung größerer Galaxien verstärkt werden müssen, haben Donatiello und sein Team Archivdaten ausgewertet, die mit dem Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) am 4-Meter-Mayall-Teleskop des Kitt Peak National Observatory gesammelt wurden.

Im Jahr 2021 begann das Instrument mit einer fünfjährigen Durchmusterung von 35 Millionen Galaxien und Quasaren, aber Donatiello und Kollegen konzentrierten sich speziell auf die Beobachtungen der Sculptor-Galaxie und ihrer Umgebung. „NGC 253 ist dank ihrer Nähe ein optimales Labor für die Untersuchung dieser Strukturen, ihrer Wechselwirkung und ihrer Entwicklung“, so Donatiello. „Wir können den Halo dieser nahen Galaxie untersuchen, indem wir ein Gesamtbild von ihr erhalten, was bei der Milchstraße nicht möglich ist.“

Diese Studie führte zur Entdeckung von acht Zwerggalaxien in der Sculptor-Galaxiengruppe: Drei von ihnen entdeckte das Team im Jahr 2021, die anderen fünf erst kürzlich. Die Astronomen kennen nun 18 Galaxien in dieser Gruppierung um NGC 253, darunter NGC 247, die 2011 entdeckt wurde, sowie einige Zwerggalaxien mit größerer Masse.

Die neuen Entdeckungen des Teams fallen jedoch durch ihre Schwachheit auf.

„Alle anderen Satellitengalaxien in dieser Gruppe sind kugelförmige Zwerge, ähnlich den ‚klassischen‘ Satellitengalaxien der Milchstraße, im Bereich hoher Helligkeit“, sagte Donatiello. „Dank der Zählung der Satellitengalaxien von NGC 253 haben wir jetzt eine Möglichkeit zu vergleichen, wie schwächere Systeme mit zunehmender Entfernung immer mehr verschwinden.“

Einseitig und unorganisiert

Die Zählung der Sculptor-Galaxie und ihrer Umgebung durch das Team hat zwar mehr Zwerg-Satellitengalaxien aufgedeckt und damit das Bild dieser Region dem von LCDM vorhergesagten Bild angenähert, aber sie hat auch einige Überraschungen gebracht. Dazu gehört die Tatsache, dass die Verteilung der Zwerggalaxien um NGC 253 „schief“ zu sein scheint, wobei mehr Galaxien auf einer Seite der Sculptor-Galaxie liegen als auf der anderen.

Donatiello merkte an, dass der Grund für diese Schieflage mit der Tatsache zusammenhängen könnte, dass die Satellitengalaxien der Sculptor-Gruppe Teil eines galaktischen „Filaments“ sind, das fast perfekt mit dem Virgo-Haufen ausgerichtet ist, einem großen Galaxienhaufen, dessen Zentrum etwa 54 Millionen Lichtjahre entfernt liegt.

„Was wir als Satellitengalaxien betrachten, sind eigentlich fallende Objekte, die von der größeren Galaxie angezogen werden“, erklärte er. „In allen Fällen von Strukturen in der gleichen Ebene oder mit unausgeglichenen Verteilungen finden wir eine enge Beziehung zu diesem kosmischen Filament. Wir können also vermuten, dass die besondere schiefe Struktur durch dieses Szenario angetrieben wird. Ansonsten sollten wir eine gleichmäßigere Verteilung erwarten.“

Die fünf neu entdeckten Zwerggalaxien der Sculptor-Galaxie Do V bis Do IX und ihre Anordnung um ihre große Muttergalaxie. (Bildnachweis: Martínez-Delgado. et al, 2024)

„Kürzlich wurden sogar noch extremere Objekte gefunden, die aus einigen Dutzend Sternen bestehen und die wir nur schwer als Galaxien definieren können, sondern eher als Halo-Haufen“, sagte Donatiello. „Es gibt wahrscheinlich Hunderte solcher Sternsysteme, die darauf warten, entdeckt zu werden. Es gibt noch Raum für weitere Entdeckungen. Allerdings sind die DESI-Daten möglicherweise nicht tief genug, um neue leuchtschwache Kandidaten zu finden.“

Der Amateurastronom fügte hinzu, dass neue, leistungsfähigere Durchmusterungsinstrumente wie das Vera C. Rubin-Teleskop diese Untersuchung aufgreifen könnten, indem sie Systeme aufspüren, die so schwach sind, dass sie ab einer bestimmten Entfernung für die derzeitige Technologie praktisch unsichtbar werden.

„Was ist, wenn wir nicht genug ultraschwache Zwerggalaxien finden, um das Problem der fehlenden Satelliten zu entkräften?“ fragte Donatiello rhetorisch. „Wir sollten in Betracht ziehen, dass die Modelle überarbeitet werden müssen oder dass ein Mechanismus greift, der die Sternentstehung unterhalb einer bestimmten Massengrenze der Halos aus dunkler Materie hemmt.

„Es könnte auch sein, dass etwas mit dem Timing der Bildung der größeren Galaxien nicht stimmt und die meisten Zwerggalaxien fast alle von den größeren verschluckt wurden.“

Neun Galaxien, darunter die acht Zwergsatelliten der Sculptor-Galaxie, tragen Donatiellos Namen – aber für ihn geht es bei dieser Untersuchung mehr um den Nervenkitzel neuer Entdeckungen als um die Ehre, dass sein Name in Astronomie-Lehrbücher aufgenommen wird.

„Wie fühlt es sich an, wenn Galaxien nach mir benannt werden?“, schloss er. Es ist ein schönes Gefühl, aber ich habe mich auch schon ein wenig daran gewöhnt“, sagt er. “Die Ergebnisse des Teams sind als vorbegutachteter Artikel auf dem Forschungsarchiv arXiv verfügbar.