Computersimulationen kollidierender Galaxien

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

Neue Computerprogramme stellen treffsicherer den Ablauf galaktischer Verschmelzungen nach, bei denen sehr leuchtkräftige infrarote Galaxien entstehen. Die Illustration vergleicht das neue Programm („Arepo“) mit dem älteren Programm („Gadget-3“). Obwohl die neueren Ergebnisse physikalisch viel realistischer und genauer zu sein scheinen, ziehen Astronomen den Schluß, daß die älteren Modelle sich nicht ernsthaft beim Abschätzen von Effekten der Sternentstehung im Irrtum befanden. Hayward et al.

Im Universum gibt es einige Galaxien, die um mehr als das tausendfache heller sind als unsere eigene Milchstraße. Viele davon sind aber bei optischen Wellenlängen praktisch unsichtbar, da die Sternentstehung, die ihre Emission mit Energie versorgt, tief im Inneren von verdunkelnden Wolken aus Staub verborgen ist, aber bei infraroten Wellenlängen leuchtet der vom Sternenlicht aufgeheizte Staub hell auf. Galaktische Kollisionen können solch eine Sternentstehungsaktivität steigern und diese sogenannten Infrarot-leuchtkräftigen Galaxien bilden. Was genau geschieht, wenn Galaxien verschmelzen und wie sie dabei Sternentstehung anregen, ist ein Thema, über das für mindestens fünfzig Jahren diskutiert worden ist, seit diese Hypothese erstmals aufgestellt wurde. Die Untersuchung von verschmelzenden Galaxien wirft mehr als nur Licht darauf, wie sich Galaxien entwickeln und Sterne bilden. Weil sie so hell sind, dienen sie als Laternen bis in kosmologische Epochen und ihre Aktivität hilft den Wissenschaftlern, das frühe Universum zu untersuchen.

Die übliche Methode zur Untersuchung von Verschmelzungen besteht darin, lokale Beispiele zu untersuchen, um ihr Verhalten aufzugliedern und diese Fälle mit Computerprogrammen nachzustellen, welche die Verschmelzungen nachahmen. Simulationen im zwanzigsten Jahrhundert bezogen nur die Wirkung der Schwerkraft mit ein, trotzdem lieferten sie wertvolle Einsichten in die Folgen der Fusionen auf die Galaxienmorphologie, die Bildung dramatischer Deformationen, beobachtbar als Gezeitenschweife und Schalen aus Gas und Sternen, sowie die Bewegungen der Fusionsüberreste. In den letzten paar Jahrzehnten haben weiterentwickelte Simulationen auch dynamische Prozesse des Gases mit einbezogen – eine wichtige Ergänzung, da Gas in Galaxien einen bedeutenden Teil der Masse beisteuert und es im Gegensatz zu den Sternen, die vergleichsweise klein sind und nie miteinander zusammenstoßen, aufgeheizt, geschockt oder anderweitig angeregt werden, um Energie abzubauen. Moderne Verschmelzungssimulationen haben auch zu einem tieferen Verständnis der Mechanismen geführt, die sowohl supermassereiche Schwarze Löcher im galaktischen Kern erzeugen als auch die galaktischen Scheiben verändern.

In den heute eingesetzten Simulationen gibt es Näherungen, die hauptsächlich darauf zurückzuführen sind, daß es den Wunsch gibt, die benötigte Zeit für eine vollständige Berechnung zu verringern. Unter diesem Blickwinkel unterteilt das gängigste Verfahren die Masse einer Galaxie in gleichgroße Einheitszellen, zum Beispiel 150 Lichtjahre pro Kante, um das Verhalten des Gases nachzuvollziehen. Problematisch ist, daß jede Aktivität, die in einem feineren räumlichen Maßstab abläuft, ungenau abgeschätzt werden könnte. Fünf Astronomen, darunter Paul Torrey und Lars Hernquist vom CfA, haben eine Untersuchung über Verschmelzungen abgeschlossen und dafür eine neue Simulationstechnik verwendet, die es unter anderem erlaubt, die mit einer Zelle verbundenen Abmessungen und die Masse mit der Zeit zu ändern. Grundsätzlich sollte dies die Folgen von Schockwellen und anderen Prozessen im Gas um einiges genauer berechnen. Wie in der Ausgabe 442 von Monthly Notices of the Royal Astronomical Society zu lesen, schreiben die Astronomen, daß, auch wenn das neue Programm gut zu arbeiten scheint und genauere sowie korrekte Ergebnisse liefert, die wesentlichen Schlußfolgerungen früherer Untersuchungen über Sternentstehung und Wachstum eines Schwarzen Lochs qualitativ bestätigt werden. Es gibt ein paar bedeutsame quantitative Unterschiede, aber das Gesamtergebnis liefert einen beruhigenden Rückhalt für die älteren Modelle, wohingegen das neue Programm ein Schritt in Richtung noch genauerer Berechnungen darstellt.

Literatur:
„Galaxy Mergers on a Moving Mesh: A Comparison with Smoothed Particle Hydrodynamics“
Christopher C. Hayward, Paul Torrey, Volker Springel, Lars Hernquist and Mark Vogelsberger
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 442, 1992–2016 (2014)