The distribution of dark matter and stellar orbits in nine Coma early-type galaxies derived from their stellar kinematics

Elliptische Galaxien sind homogene, von alten Sternen dominierte
dynamische Systeme, die sich heute in einem Zustand annähernden
Gleichgewichts befinden. Ihre Entstehung liegt zeitlich weit zurück
und ihr jetziger Zustand lässt nur noch indirekte Rückschlüsse auf
den genauen Zeitpunkt und die Art ihrer Entstehung zu. Moderne
Theorien zur Strukturbildung im Universum sagen vorher, dass alle
massereicheren Galaxien von Halos aus dunkler Materie umgeben sind.
Die zentrale Dichte der dunklen Materie stellt sich dabei als ein
indirektes Mass für die Entstehungsepoche der Galaxien heraus.
Hinweise auf den Enstehungsprozess - die Literatur kennt im
wesentlichen den Kollaps einer protogalaktischen Gaswolke oder die
Verschmelzung mehrerer Vorläufergalaxien - ergeben sich aus der
Verteilung der Sternbahnen in elliptischen Galaxien. Sowohl die
Verteilung der Masse als auch die der Sternbahnen sind schwierig
aus Beobachtungen zu bestimmen, weil elliptische Galaxien
dreidimensionale Objekte sind und man nicht von vornherein weiß
unter welchem Blickwinkel man sie beobachtet. Außerdem bilden ihre
Sterne ein stossfreies dynamisches System, das beliebige Grade von
Anisotropie annehmen kann. Seit etwa Anfang der 90er Jahre stehen
mit den Messungen von projizierten Geschwindigkeitsprofilen
Beobachtungsdaten zur Verfügung, die eine Rekonstruktion des
genauen dynamischen Aufbaus einzelner Objekte zulassen. Erst seit
etwa fünf Jahren hat die Entwicklung dynamischer Modelle ein
vergleichbares Niveau erreicht, so dass es jetzt möglich ist,
zumindest die volle Bandbreite achsensymmetrischer Modelle mit
Beobachtungen einzelner Galaxien zu vergleichen. Die vorliegende
Arbeit ist die erste Studie einer Stichprobe von mehreren Objekten
mit achsensymmetrischen Modellen. Ähnlich umfangreiche Arbeiten
waren bisher auf die Anwendung sphärisch-symmetrischer Modelle
beschränkt, in denen weder Rotation noch Inklinationseffekte
berücksichtigt werden können. Die Datenanalyse der vorliegenden
Arbeit basiert auf der sog. Schwarzschild-Methode. Dabei wird
zunächst aus Galaxienbildern das Gravitationspotential der
sichtbaren Materie berechnet. Anschließend wird eine Bibliothek mit
tausenden Sternbahnen angelegt, aus deren Überlagerung dann ein
Modell konstruiert wird. Falls nötig, wird dunkle Materie
hinzugefügt bis Modell und Daten im Rahmen der Messfehler
übereinstimmen. Diese Methode wird im Rahmen der Arbeit
weiterentwickelt: Eine gleichmässige Verteilung von invarianten
Kurven einzelner Orbits in geeignet gewählten Poincaré-Schnitten
wird als Kriterium für eine zuverlässige Berücksichtigung aller
Bahntypen eingeführt. Ein Verfahren wird implementiert, dass
ebenfalls Poincaré-Schnitte verwendet, um die Phasenvolumina
einzelner Orbits und damit die Phasenraumverteilungsfunktion von
Galaxien zu berechnen. Monte-Carlo Simulationen zeigen, dass mit
optimierter Regularisierung sowohl interne Geschwindigkeiten als
auch die Massenstruktur mit einer Genauigkeit von etwa 15 Prozent
aus den vorliegenden Daten rekonstruiert werden können. Die
untersuchten elliptischen Galaxien haben näherungsweise konstante
Kreisgeschwindigkeiten außerhalb ihrer Zentren, ähnlich wie
Spiralgalaxien. Die Halo Skalenradien einiger Ellipsen sind
allerdings um einen Faktor zehn kleiner als die in gleichhellen
Spiralen. Mit den flachen Rotationskurven sind 10 bis 50 Prozent
dunkler Materie innerhalb des Effektivradius verknüpft. Die
zentrale Dichte der dunklen Materie ist in Ellipsen um einen Faktor
25 höher als in Spiralgalaxien, was eine Enstehungsrotverschiebung
von z = 4 impliziert. Soweit bestätigen die Modelle aus dieser
Arbeit Resultate früherer Arbeiten mit sphärisch symmetrischen
Modellen. In den Coma Galaxien mit den ältesten stellaren
Populationen sind entweder - im Vergleich zu jüngeren Galaxien -
mehr Sterne geringer Masse gebildet worden oder aber die dunkle
Materie in diesen Galaxien folgt einer ähnlichen radialen
Verteilung, wie die leuchtende Materie. Die Ergebnisse der Arbeit
bestätigen kürzlich erschienene Arbeiten, nach denen elliptische
Galaxien im grossen und ganzen eine homologe dynamische Familie
bilden. Die verbleibende Streuung um entsprechende, aus dem
Virialsatz ableitbare, globale Skalenrelationen sind auf eine
systematische Verknüpfung des Drehimpulses mit der
Leuchtkraftverteilung zurückzuführen. Der Ursprung dieser Relation
ist noch unklar, aber ihr Vorhandensein erlaubt die Streuung in den
Skalenrelationen um ein Drittel zu reduzieren. Dadurch könnte es in
Zukunft möglich sein, die Entfernung einzelner Ellipsen mit grosser
Genauigkeit aus ihrer Kinematik abzuleiten. Die Abflachung der
untersuchten Galaxien kommt durch eine relative Unterhäufigkeit von
Sternen auf Bahnen, die den Äquator mit hoher vertikaler
Geschwindigkeit durchkreuzen, zustande. Eine solche Verteilung von
Sternen maximiert ihre Entropie im Phasenraum, wodurch elliptische
Galaxien zu einem hohen Grade dynamisch relaxiert scheinen.
Allerdings offenbart eine genaue Untersuchung der Sternverteilung
im Phasenraum eine reichhaltige Feinstruktur. Ein Objekt besteht
aus der Überlagerung einer dünnen, rotierenden Scheibe und eines
strukturlosen Sphäroids. In anderen Galaxien zeigt sich eine starke
Asymmetrie zwischen rotierenden und gegenrotierenden Sternen in
ihren Außenbezirken, gekoppelt mit relativ niedrigen stellaren
Altern. Beides deutet daraufhin, dass die Sterne in diesen Regionen
erst vor relativ kurzer Zeit zur Galaxie hinzugekommen sind. Über
den beobachteten radialen Bereich zeigt keine Galaxie die typische
Struktur nach einem Kollaps. Die Vielfalt der dynamischen
Eigenschaften spricht eher für das Verschmelzungsszenario mit
seiner natürlichen Variation an Ausgangskonfigurationen und
-objekten.