Symmetronen: Mysteriöse Wand hinter der Milchstraße entdeckt

Milchstraße und eine blaue Wand

Forscher vermuten, dass zwischen Galaxien riesige unsichtbare Strukturen existieren. Und die bestehen aus etwas, das die Physik völlig auf den Kopf stellt. Was es mit diesen kosmischen Wänden und den sogenannten Symmetronen auf sich hat.

Astronomen haben ein Problem. Und dieses Problem betrifft unsere Heimatgalaxis, die Milchstraße. Die Milchstraße ist eine Ansammlung von mindestens 200 Milliarden Sternen, einer davon ist unsere Sonne. 

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Unsere Galaxis ist nicht allein. Sie wird begleitet von einer Menge Zwerggalaxien. Wobei das Präfix “Zwerg” in dem Fall ein bisschen irreführend ist, denn diese Zwerggalaxien besitzen immer noch mehrere Millionen Sterne. Diese Zwerggalaxien sind durch die Schwerkraft an die Milchstraße gebunden und weichen niemals von unserer Seite.

Lambda-CDM-Modell und Berechnung der Bewegung von Zwerggalaxien

Die meisten Rechenmodelle besagen, dass solche Zwerggalaxien wie ein Schwarm Wespen unkontrolliert um unsere Galaxie fliegen müssten. Das sogenannte Lambda-CDM-Modell ist ein Modell, dass die Entwicklung des Kosmos seit dem Urknall beschreibt. Gemäß dieses Modells müssten sich Zwerggalaxien wie Wespen verhalten und wahllos in verschiedenen Bahnen um ihre Wirtsgalaxie herumkreisen. 

Jetzt kommt das Problem der Astronomen: Die meisten Zwerggalaxien verhalten sich nicht wie vom Modell errechnet. Kleine Galaxien, die von größeren Galaxien eingefangen werden, ordnen sich meist in dünnen, flachen Ebenen an, fast wie die Ringe des Saturns, während sie nach dem Modell eigentlich in chaotischen Bahnen um ihre Wirtsgalaxien herum verteilt sein sollten. Mit anderen Worten: Viele Zwerggalaxien halten sich nicht an das kosmologische Standardmodell und pfeifen komplett auf die Regeln der Physik.

Darstellung von Zwerggalaxien der Milchstraße
Viel los: Die Zwerggalaxien um die Milchstraße

Die Lösung für das Satelliten-Ebenen-Problem

Das wurmt die Astronomen schon lange und hat sogar einen eigenen Namen: Das Satelliten-Ebenen-Problem. Doch nun könnten wir die Antwort für das frustrierende Satelliten-Ebenen-Problem haben und diese Antwort hat es in sich: Sie beinhaltet unsichtbare Wände im Kosmos und ganz neue Elementarteilchen, die kein Teil der Standardphysik sind. 

Entwickelt haben diese Antwort zwei Forscher der Universität Nottingham, die sagen: “Wir wissen, dass wir neue Teilchen brauchen, weil wir dunkle Materie und dunkle Energie haben, und deshalb vermuten wir, dass wir unserem Standardmodell neue Teilchen hinzufügen müssen, um diese Dinge zu erklären.” 

Was haben Dunkle Energie und Dunkle Materie damit zu tun?

Dunkle Energie, Dunkle Materie – diese Begriffe müssen wir klären, bevor wir die mysteriösen galaktischen Strukturen verstehen können. Fangen wir mit der Dunklen Energie an: Man denkt, dass die Expansion des Weltraums nicht für immer weiter gehen kann und irgendwann mal nachlassen muss, oder? Denn je länger der Urknall her ist, desto mehr schwächt sich seine Energie ab und desto langsamer müsste der Weltraum wachsen und irgendwann dann sogar wieder schrumpfen. Wie ein Luftballon, in den einmal heftig reingepustet wird und irgendwann ist im wahrsten Sinne des Wortes die Luft raus.

Tja, Pustekuchen. Der Weltraum wird nicht langsamer. Er wird immer schneller immer größer. Also muss es irgendeine weitere Kraft neben der ursprünglichen Energie des Urknalls geben, die den Kosmos zum wachsen bringt. Und da niemand einen blassen Schimmer hat, was das für eine Kraft sein könnte, nennt man sie Dunkle Energie. In einem Satz könnte man sagen: Die Dunkle Energie ist eine noch nicht näher bestimmbare Kraft, die die Expansion des Kosmos voran treibt. 

Expansion des Kosmos durch Dunkle Energie
Dunkle Energie: Warum expandiert der Kosmos

Und Dunkle Materie? In kleinen Bereichen des Kosmos, zum Beispiel unserem Sonnensystem oder auch unserer Galaxis, spielt die Expansion des Kosmos keine Rolle. Das liegt daran, dass hier die Schwerkraft stärker ist als die Expansion. In unserer Milchstraße überwiegt die Schwerkraft der Sternsysteme oder Schwarzen Löcher untereinander die Expansion des Universums und deswegen hält die Milchstraße sich zusammen. 

Aber jetzt kommt ein kleines Problem: Wissenschaftliche Berechnungen haben ergeben, dass die Schwerkraft der Objekte in unserer Galaxis nicht ausreicht, um die Galaxie zusammenzuhalten. Wenn man nur die sichtbaren Himmelskörper unserer Galaxis einberechnet, wäre die Gravitation so schwach, dass die Milchstraße von der Expansion und der Dunklen Energie zerrissen würde. Wird sie aber nicht. Also gibt es scheinbar eine ominöse Kraft, die ähnlich wie die Schwerkraft Objekte zusammenhält. Da man auch hier keinen Schimmer hat, was diese Kraft genau ist, nennt man sie Dunkle Materie. 

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Also zusammengefasst: Dunkle Materie ist eine ominöse Kraft, die Dinge zusammenhält, Dunkle Energie ist eine ominöse Kraft, die Dinge auseinander treibt. Astronomie kann so einfach sein. Da aber niemand genau weiß, was Dunkle Materie und Dunkle Energie sind, stellt sich die Frage, ob es vielleicht mysteriöse Teilchen geben könnte, die diese Kräfte verursachen, die wir aber schlicht noch nicht entdeckt haben. 

Symmetronen: Spekulative Teilchen rufen Effekte der Dunklen Energie hervor

Mit Teilchen meint man zum Beispiel Elementarteilchen, die auf der allerkleinsten Ebene die Effekte der Dunklen Energie und Dunklen Materie hervorrufen. Über solche ominösen Teilchen wird schon lange spekuliert. Die Idee der Forscher der Uni Nottingham ist, dass diese Teilchen tatsächlich existieren und verantwortlich sind für das exzentrische Verhalten der Zwerggalaxien. Ihrer Theorie zufolge könnten spekulative Teilchen, die als Symmetronen bekannt sind und mit denen Forscher Lücken in unserem Wissen über den Kosmos erklären, all diese geheimnisvollen Effekte bewirken.

Die Theorien besagen, dass Symmetronen im Laufe der 13,8 Milliarden Jahre, die das Universum alt ist, mehrmals einen so genannten Symmetriebrechungsmechanismus durchlaufen haben. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass diese Teilchen bei der Ausdehnung des Universums und der damit einhergehenden Verringerung der Dichte einen Schwellenwert überschreiten, der sie dazu veranlasst, ihren Niedrigstenergiezustand von Null in einen zufälligen positiven oder negativen Wert zu verwandeln. 

So könnten Symmetronen aussehen
Symmetronen: Sehen sie so aus?

Das klingt unfassbar kompliziert. Ist es auch. Deswegen stellen wir uns einfach mal vor, dass Symmetronen überall im Weltraum sind und den Weltraum schlicht in zwei Zustände teilen: Symmetron-Zustand Eins und Symmetron-Zustand Zwei. Oder einfacher: Pizza mit Salami. Pizza mit Schinken. Zwischen den unterschiedlich belegten Pizza-Stücken haben wir eine klare Abgrenzung, genau so zwischen den verschiedenen Symmetron-Zuständen. Im Falle der Symmetronen nennt man diese Abgrenzung Symmetron-Domänenwand, genau der Ort, an dem Symmetron-Zustand Eins zu Symmetron-Zustand Zwei wechselt, oder wie wir Physik-Profis sagen: Dort, wo Pizza Salami zu Pizza Schinken wechselt. Der beteiligte Forscher Aneesh Naik sagt: “Da das Universum nicht gleichmäßig ist, wird es verschiedene Regionen mit niedriger Dichte geben, die kausal nicht miteinander verbunden sind, so dass dieser Symmetriebruch nicht überall im Universum gleichzeitig stattfindet.”

Symmetronen: Domänenwand zwischen Milchstraße und Zwerggalaxie

Und die Idee ist jetzt, dass wir zwischen der Milchstraße und den Zwerggalaxien eine solche Symmetron-Domänenwand haben. Und an diesem unsichtbaren Symmetriebruch, an dieser Grenze zwischen zwei Zuständen, orientieren sich die Zwerggalaxien und nehmen deswegen die mit dem Standardmodell der Physik nicht zu erklärenden Umlaufbahnen an. 

Das ist erst mal nur eine Hypothese, aber die Forscher haben anhand von Simulationen gezeigt, dass Wechselwirkungen entlang dieser exotischen Wände Satellitengalaxien perfekt in die unerwarteten Ebenen lenken könnten. Die Hypothese der unsichtbaren Symmetron-Domänenwände passt also optimal zu dem, was wir in der Realität sehen. Das ist ein starkes Indiz dafür, dass Symmetronen tatsächlich existieren – und so ist es in der Physik ja schließlich oft: Dinge werden erst mal theoretisch postuliert und dann Jahre später erst entdeckt. 

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Sonnengeburt: Milchstraße und Sagittarius kollidieren

Darstellung einer Kollision zwischen der Sagittarius-Zwerggalaxie und der Milchstraße

Eine Zwerggalaxie kracht mit unserer Milchstraße zusammen, rast komplett hindurch und erschafft dabei… unser Sonnensystem. Was völlig verrückt klingt, ist wirklich passiert.

In diesem Moment rast unsere Nachbargalaxie, die Andromeda-Galaxie, mit einer unfassbaren Geschwindigkeit von 113 Kilometern pro Sekunde auf uns zu. Unser Schicksal scheint besiegelt: Die Milchstraße und die Andromeda werden in einigen Milliarden Jahren zu einer gemeinsamen Riesengalaxie verschmelzen. Das ist aber nicht die einzige galaktische Kollision der Milchstraße. Es gibt eine Galaxie, die immer wieder durch die Milchstraße hindurch randaliert, und der wir womöglich unsere Existenz verdanken.

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Sagittarius-Galaxie fliegt durch die Milchstraße

Die Andromeda-Galaxie ist nicht die nächste Galaxie. Es gibt zahlreiche Zwerggalaxien, die gravitativ an unsere Milchstraße gebunden sind. Von dem Begriff Zwerggalaxie solltet Ihr euch nicht täuschen lassen. Denn auch diese kleinen Galaxien enthalten meist mehrere 100 Millionen Sternsysteme – im Gegensatz zu normalen Galaxien, die mehrere 100 Milliarden enthalten. Eine ganz besonders innige Beziehung zur Milchstraße hat die Sagittarius-Zwerggalaxie. Die wurde erst in den 90er Jahren entdeckt und hat einen sehr kuriosen Orbit um unsere Milchstraße. Sie umläuft das Milchstraßenzentrum in einem fast polaren Orbit senkrecht zur galaktischen Scheibe. Sagittarius begnügt sich aber nicht damit, die Milchstraße zu umkreisen. Daten des GAIA-Weltraumteleskops der ESA zeigen, dass sie bereits mehrfach in unsere Galaxis hinein gekracht ist. Sie kam der Milchstraße dabei zu nahe, wurde dann durch die Anziehungskraft eingefangen und rauschte durch sie hindurch. Die GAIA-Wissenschaftler vermuten, dass das vor etwa fünf bis sechs Milliarden Jahren, dann vor rund zwei Milliarden Jahren und schließlich vor einer Milliarde Jahre passierte. 

Der Orbit der Sagittarius-Zwerggalaxie um die Milchstraße herum

So einem Techtelmechteln zwischen der Milchstraße und Sagittarius-Zwerggalaxie verdanken wir vermutlich unsere Existenz. Denn wenn eine Galaxie durch eine andere rast, dann bleibt das natürlich nicht folgenlos. Tomás Ruiz-Lara, Astrophysiker am Instituto de Astrofísica de Canarias auf Teneriffa beschreibt es so: “Die Milchstraße hatte einen ausgeglichenen Zustand erreicht, in dem sich gleichmäßig Sterne bildeten. Plötzlich fällt Sagittarius hinein und stört das Gleichgewicht, wodurch all das zuvor noch unbewegte Gas und der Staub im Inneren der größeren Galaxis wie Wellen auf dem Wasser herumschwappen.” Und wenn Gas, vor allem Wasserstoff, in Galaxien in Wallung gerät, dann entstehen neue Sterne. Sterne sind im Prinzip nur zusammengequetschter Wasserstoff. 

Durch die rasante Tour von Sagittarius durch die Milchstraße kam es zu solch einer neuen Sternentstehung. Unsere Sonne ist das Ergebnis dieses Prozess, sozusagen eine Tochter der Milchstraße und Sagittarius. Warum soll gerade die Sonne dadurch entstanden sein? Das zeigen die Daten des GAIA-Teleskops. In den Gaia-Daten untersuchten die Forscher die Helligkeit, Entfernung und Farbe von Millionen Sternen in unserer galaktischen Nachbarschaft. So konnten die Astronomen das Alter dieser Sterne abschätzen und sie fanden genau drei Episoden, während denen vermehrt Sterne entstanden sein müssen: vor 5,7 Milliarden, 1,9 Milliarden und vor einer Milliarde Jahren.

Frühere Kollisionen zwischen der Milchstraße und der Sagittarius-Zwerggalaxie

Sonnengeburt durch Sagittarius-Effekt

Es sieht so aus, als wäre unsere gesamte galaktische Nachbarschaft, ungefähr in einem Bereich von 6500 Lichtjahren um uns herum, ein Produkt der Sagittarius-Milchstraßen-Kollision. Dr. Carme Gallart, auch aus Teneriffa, sagt: “Wir wissen nicht sicher, ob die Gas- und Staubwolke, aus der die Sonne entstanden ist, aufgrund des Sagittarius-Effekts kollabierte oder nicht. Aber es ist ein mögliches Szenario, da das Alter der Sonne mit der Entstehung eines Sterns infolge des Sagittarius-Effekts übereinstimmt.”

Die Position der Sagittarius-Zwerggalaxie

Und es wird noch spektakulärer: Die GAIA-Forscher haben herausgefunden, dass der Kern der Sagittarius-Zwerggalaxie schon in den nächsten 100 Millionen Jahren erneut mit der Milchstraße kollidiert. Technisch gesehen hat diese Kollision bereits begonnen, denn die Außenbereiche der Galaxien berühren sich bereits. Durch all diese galaktischen Crashs zieht Sagittarius eine Art Schweif aus Sternen und Wasserstoff hinter sich her, den sogenannten Sagittarius-Sternstrom. Dieser galaktische Schweif befindet sich gerade mitten in der Kollision mit unserer Galaxie und wird nach und nach von ihr absorbiert. Man bezeichnet das als Galaxien-Kannibalismus. Genau genommen wird die Sagittarius-Zwerggalaxie von den Gezeitenkräften der Milchstraße zerstört. Aktuell verdaut sie schon den Sagittarius-Sternstrom und irgendwann wird sie sich die komplette Zwerggalaxie einverleiben. 

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Kosmischer Kannibalismus

Voraussichtlich in einer Milliarde Jahr wird die Verschmelzung komplett abgeschlossen sein und die Sagittarius-Zwerggalaxie ist dann integraler Bestandteil unserer Milchstraße. Durch all diese Prozesse wird es natürlich wieder dazu kommen, dass galaktisches Gas in Wallung gerät und neue Sterne entstehen. Vielleicht werden dann neue Sonnensysteme geboren und in einigen Milliarden Jahren wundern sich die außerirdischen Bewohner dort genauso über ihre galaktische Herkunft wie wir. 

Und der Appetit der Milchstraße wird damit nicht gesättigt sein, es existieren noch zahlreiche weitere Zwerggalaxien um uns herum, die diesem kosmischen Kannibalismus zum Opfer fallen werden, wie beispielsweise die Canis-Major-Zwerggalaxie. Wie nah diese Trabanten uns teilweise sind, seht Ihr daran, dass unser Sonnesnystem nur 25.000 Lichtjahre von der Canis-Major-Galaxie entfernt ist. Diese ist damit näher an uns dran als das galaktische Zentrum der Milchstraße mit seinem supermassiven Schwarzen Loch Sagittarius A*.

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