Warum drehen sich Galaxien? Diese Frage beschäftigt Astronomen seit etwa 100 Jahren, seitdem sich herausstellte, dass die nebelartigen, wirbelnden Flecken am Nachthimmel tatsächlich Spiralgalaxien sind, die unabhängig von der Milchstraße existieren. Die Experten haben nun endlich überzeugende Beweise für einen der Effekte gefunden, der die Galaxien in Bewegung versetzt hat: die turbulenten Gravitationswechselwirkungen, die noch aus jener Zeit stammen , als das Universum noch extrem jung war.

Zumindest ein Teil der Rotation der Galaxien ist auf jene Gravitationswirkungen zurückzuführen, die Gas- und Dunkle-Materie-Klumpen vor mehr als 13,6 Milliarden Jahren, noch vor der Entstehung der ersten Galaxien, auf benachbarte Klumpen ausübten, berichtet. Die Forschungsgruppe veröffentlicht ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „ “ (Nature Astronomy). Das Wissen um den Zusammenhang zwischen den heutigen rotierenden Galaxien und der urzeitlichen Verwirbelung könnte den Forschern helfen, genau zu verstehen, was in dieser fernen Epoche geschah. Die Forscher haben die erhaltenen Spuren der ursprünglichen Rotation überzeugend nachgewiesen, sagt Pablo López, Astronom an der Nationalen Universität Córdoba, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

Im sehr frühen Universum begann sich die als „dunkle Materie“ bekannte mysteriöse Substanz zu großen Klumpen, sogenannten Halos, zusammenzulagern. Die Anziehungskraft dieser Halos zog das Gas an, was die Entstehung von Galaxien in Gang setzte. Theoretiker versuchen seit Jahrzehnten zu erklären, wie dieser Prozess den neu entstehenden Galaxien eine Rotation verleihen konnte. Einem Modell aus dem Jahr 1969 zufolge lag der Grund darin, dass sich die noch im Entstehen begriffenen Halos mit einer gravitativen Kraft gegenseitig anzogen. War ein Halo länglich geformt oder dehnte er sich später aus, übte er an dem Ende, das dem riesigen Nachbarn am nächsten lag, eine stärkere Anziehungskraft aus als am weiter entfernten Ende. Diese ungleichmäßige Anziehungskraft – die als Gezeitenkraft bezeichnet wird – konnte einen Drehimpuls, also ein Drehmoment, auf den gestreckten Halo ausüben und ihn so in Rotation versetzen.

Anhänger der sogenannten „Gezeitenmoment“-Theorie gingen davon aus, dass, sobald sich ein Halo einmal zu drehen beginnt, sich auch die daraus entstandenen Galaxien drehen werden und dass diese Rotation bis heute fortbestehen könnte. Andere argumentieren, dass der chaotische Prozess des Wachstums und der Entwicklung der Galaxien – einschließlich der unzähligen Kollisionen und Verschmelzungen zwischen Galaxien – mittlerweile alle Spuren der ursprünglichen Rotation ausgelöscht hat. Laut López herrscht heute Einigkeit darüber, dass beide Standpunkte teilweise zutreffen: Ein Großteil der Rotation stammt aus den Verschmelzungen, doch ein geringes Maß an Rotation ist auch aus früheren Zeiten erhalten geblieben.

Um herauszufinden, ob dies zutrifft, versuchten Ming-Jie Sheng, Forscher an der Universität Xiamen, und sein Team zu berechnen, welche Rotation sich im Universum in den uralten Halos in unserer Umgebung entwickelt haben könnte. Sie nutzten die vom Sloan Digital Sky Survey (SDSS) erstellte lokale 3D-Karte und simulierten anschließend die Verteilung jener Protogalaxien im frühen Universum, die zur heutigen Anordnung der Galaxien geführt hätten. Diese Verteilung sagt jedoch nichts über die Form und Ausrichtung der Protohalos aus; daher löste das Forscherteam das Problem, indem es die Gezeitenkräfte selbst als Ersatz für die Form der Protohalos heranzog.

„In früheren Simulationsarbeiten haben wir gezeigt, dass diese Annäherung die Rotationsrichtung äußerst gut reproduziert, weshalb wir darauf vertrauten, dass wir sie auf die Beobachtungen anwenden können“, sagt Hao-Ran Yu, ein Mitglied des Teams. Eduard Salvador Solé, Beobachtungskosmologe an der Universität Barcelona, stimmt dem zu: „Diese empirische Annäherung stellt kein grundlegendes Problem dar, und die gezogenen Schlussfolgerungen sind zweifellos zutreffend.“

Nachdem das Team die ursprünglichen Rotationsrichtungen und -geschwindigkeiten am Nachthimmel simuliert hatte, untersuchte es, ob die Galaxien im lokalen Universum noch immer diesem Muster entsprechen. Dazu nutzten sie Daten einer anderen SDSS-Durchmusterung, mit der sich die Verschiebungen der Wellenlängen des von Sternen und Gas in den Galaxien ausgestrahlten Lichts nachweisen ließen, wodurch sich ermitteln ließ, wie schnell sie sich auf uns zu- oder von uns wegbewegen. Dies ermöglichte es den Forschern, die Rotationsgeschwindigkeit von mehr als 1.600 Galaxien abzuschätzen. Die große Stichprobe war unerlässlich, sagt Yu, da das urzeitliche Signal bei den einzelnen Galaxien äußerst schwach ist.

Das vom Forschungsteam im lokalen Universum beobachtete Rotationsmuster stimmte sehr gut mit der uralten Vorhersage überein – und zwar in einem Maße, dass es äußerst unwahrscheinlich ist, dass es sich um einen statistischen Zufall handelt. „Unsere Ergebnisse liefern starke Beobachtungsbelege dafür, dass die urzeitlichen Gezeitendrehmomente messbare Spuren in der Rotation heutiger Galaxien hinterlassen haben“, sagt Yu. Es scheint jedoch, dass nur etwa 13 % der heutigen Rotation aus dem frühen Universum stammen.

Ue-Li Pen, eine an der Studie beteiligte Expertin der Universität Toronto, hofft, dass, sollte sich das Ergebnis bestätigen, dass dieser direkte Zusammenhang zwischen der Rotation heutiger Galaxien und der Massenverteilung im frühen Universum den Astronomen helfen könnte, auch andere, schwer fassbare kosmologische Parameter zu ermitteln, wie beispielsweise die Masse der Neutrinos. „Es hat sich herausgestellt, dass auch Neutrinos ein Gezeitendrehmoment auf die Materie ausüben und dessen Größe von der Masse der Neutrinos abhängt“, sagt Pen. „Wir hoffen, dass dies neue, relativ direkte Methoden zur Messung der Gravitationswirkung von Objekten bietet, die ansonsten nur sehr schwer nachzuweisen sind.“