The Evolution of Distant Spiral Galaxies in the FORS Deep Field

Abstract

In dieser Arbeit wird die Analyse eines Datensatzes von 130 Spiralgalaxien beschrieben, deren Entfernungen einer kosmologischen Rückblickzeit zwischen 1 und 8 Mrd. Jahren entsprechen. Mit diesem Sample ist es möglich, die Vorhersagen des sog. hierarchischen Szenarios zu testen, demzufolge sich im frühen Universum kleine Strukturen als erste gebildet und durch Verschmelzungsprozesse sukzessive größere Strukturen aufgebaut haben. Dieses Szenario stellt ein Paradigma der modernen Astrophysik dar.Alle untersuchten Objekte stammen aus dem FORS Deep Field; einer Himmelsregion, von der mit dem Very Large Telescope (VLT, Chile) sehr tiefe Vielfarben-Photometrie gewonnen wurde. Anhand von räumlich aufgelöster VLT-Spektroskopie werden Rotationskurven (d.h. die Rotationsgeschwindigkeit als Funktion des Abstandes vom Galaxienzentrum) extrahiert. 77 Galaxien zeigen die Ausbildung eines flachen Maximums der Rotationsgeschwindigkeit bei großem Radius, was - analog zu Galaxien im heutigen Kosmos - auf die Dominanz einer Massenkomponente aus Dunkler Materie im äußeren Bereich hindeutet. Mit Hilfe der Tully-Fisher-Relation, in der die maximale Rotationsgeschwindigkeit und die Leuchtkraft verknüpft sind, wird die Absoluthelligkeit der entfernten Galaxien mit jener von heutigen Galaxien verglichen. Während die schnell rotierenden (d.h. massereichen) Objekte keine signifikante Helligkeitsentwicklung zeigen, sind die massearmen, entfernten Galaxien um bis zu einem Faktor 6 leuchtkräftiger als ihre lokalen (heutigen) Gegenstücke. In numerischen Simulationen jedoch, die auf dem hierarchischen Szenario basieren, wird entweder eine Zunahme der Leuchtkraft mit der Rotverschiebung bei massereichen Galaxien, oder keinerlei Zusammenhang mit der Masse gefunden.Die beobachtete Massenabhängigkeit der Leuchtkraftentwicklung wird zahlreichen Tests unterzogen. Hierbei zeigt sich u.a., dass das Ergebnis nicht durch einen Unvollständigkeitseffekt, Gezeitenwechselwirkungen oder falsche Annahmen über die intrinsische Staubabsorption hervorgerufen sein kann. Zudem lassen sich mit diesem Resultat die Widersprüche zwischen früheren Studien erklären, deren Datensätze zu klein waren, um eine Massenabhängigkeit statistisch robust zu untersuchen. Da eine leichte Abnahme der Scheibengröße mit zunehmender Rotverschiebung gefunden wird - wie nach dem hierarchischen Szenario zu erwarten - besteht die wahrscheinlichste Erklärung für die Diskrepanz zwischen Theorie und Beobachtung im Falle der Leuchtkraftentwicklung in einer noch unzureichenden Modellierung der Eigenschaften der stellaren (d.h. baryonischen) Komponente in den Simulationen.