Die kosmische Entwicklung der Galaxien

Print Friendly, PDF & Email

Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

Ein Schnappschuß aus der Computersimulation des Projekts Illustris zur kosmischen Strukturbildung. Dieses künstlich gefärbte Bild zeigt Filamente und Galaxien im Netz der kosmischen Materie, wie man es heute in einem Ausschnitt mit einer Ausdehnung von etwa fünfzig Millionen Lichtjahren sieht. Eine neue Arbeit untersucht die von Illustris berechnete Änderung der Häufigkeit von Galaxienkollisionen, während sich das Universum vom Urknall bis zum heutigen Tag entwickelt. The Illustris Project

 

Unser Wissen über den Urknall ist im letzten Jahrzehnt dramatisch angewachsen, da Satelliten und bodengebundene Untersuchungen des kosmischen Mikrowellen-Hintergrunds Kenngrößen, die mit dem sehr frühen Universum in Verbindung stehen, verbessert und für diese eine erstaunliche Genauigkeit (doch nicht notwendigerweise Fehlerfreiheit) von ein paar Prozent erreicht haben. Unglücklicherweise ist unser Wissen darüber, was danach geschah – von diesen ersten Hunderttausend Jahren bis heute, 13.7 Milliarden Jahre später – sehr unvollständig. Wir wissen, daß sich Galaxien und ihre Sterne aus dem abkühlenden, fadenförmigen Netzwerk der Materie dieser frühen Epoche bildeten. Sie reionisierten das Wasserstoffgas, entwickelten sich weiter und kollidierten miteinander, während das Universum sich stetig ausdehnte. Allerdings sind ferne Galaxien lichtschwach und schwer zu messen; obwohl Beobachtungen großartige Fortschritte beim Zusammensetzen der Geschichte gemacht haben, haben sich Astronomen der Theorie und den Computersimulationen zugewandt, um zu versuchen, das Bild zu vervollständigen.

Um zu untersuchen, wie häufig Galaxienverschmelzungen im Kosmos sind, gibt es drei wichtige theoretische Herangehensweisen, die sich darin unterscheiden, wie sie Galaxien modellieren. Der erste Ansatz versucht nicht, Galaxienbildung von Grundprinzipien her zu modellieren, sondern „malt“ dafür Galaxien auf die Umgebung der Dunklen Materie (die „Halos“ genannt werden), entsprechend den Beschränkungen, die Beobachtungen auferlegen. Der zweite Ansatz modelliert Galaxienbildung anhand einfacher mathematischer Rezepte und nutzt auch Halos aus Dunkler Materie als Rückgrat für das Modell. Die dritte Methode, hydrodynamische Simulationen, versucht alles in sich stimmig zu modellieren (Dunkle Materie, Gas und Sterne), eine Aufgabe, die bis vor Kurzem rechnerisch zu schwierig gewesen ist.

Die CfA-Astronomen Vicente Rodriguez-Gomez, Shy Genel, Annalisa Pillepich, Dylan Nelson und Lars Hernquist haben mit Kollegen einen neuen theoretischen Rahmen zur Berechnung der Häufigkeit von Galaxienverschmelzungen mit Hilfe des Illustris-Projekts entwickelt. Es ist eine kosmologische hydrodynamische Simulation, welche die Bildung von Galaxien in kosmischen Würfeln mit einer Kantenlänge von etwa dreihundert Millionen Lichtjahren modelliert. Dies ist groß genug, um viele bekannte Eigenschaften von Galaxien und Galaxienhaufen sowohl in der Nachbarschaft (heute) als auch zu früheren Epochen nachzubilden. Das große Volumen, die in sich widerspruchsfreie Einbindung normaler Materie und das eingesetzte realistische Modell der Galaxienbildung erlaubt der Illustris-Simulation, eine nicht gekannte und genaue Untersuchung der Verschmelzungen über die kosmische Zeit zur Verfügung zu stellen.

Die Astronomen finden deutliche Hinweise auf ein stetes Abnehmen der Verschmelzungsraten von Galaxien (die Häufigkeit der Verschmelzung drei Milliarden Jahre nach dem Urknall war ungefähr um das 15-fache höher als heute) und sie bringen in die Natur der Verschmelzungen Klarheit, indem sie unter anderem die zweckmäßigste Definition für das Masseverhältnis der verschmelzenden Galaxien ausfindig machen und den Zeitraum für den Masseeinfall während einer Kollision beschränken. Sie berichten von einigen deutlichen Unterschieden zwischen ihren Ergebnissen und solchen, die in einigen anderen gängigen Theorien erhalten werden sowie von manchen Unklarheiten in den (noch immer ungenauen) beobachteten Datensätzen. Ihre wichtige Arbeit markiert den Beginn einer ausführlicheren Reihe von Untersuchungen in der kosmischen Entwicklung von Galaxien.

Literatur:
„The Merger Rate of Galaxies in the Illustris Simulation: A Comparison with Observations and Semi-empirical Models“
Vicente Rodriguez-Gomez, Shy Genel, Mark Vogelsberger, Debora Sijacki, Annalisa Pillepich, Laura V. Sales, Paul Torrey, Greg Snyder, Dylan Nelson, Volker Springel, Chung-Pei Ma, and Lars Hernquist
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 449, 49–64 (2015)