Mogli: Auf den Spuren des verborgenen Lebens astrophysikalischer Gase

Der Raum um Galaxien leuchtet im Teleskop zwar nicht hell, ist aber mit Gasen unterschiedlicher Temperatur gefüllt. Die Temperaturen reichen von Plasma mit einer Million Grad Celsius bis hin zu viel kälteren, winzigen Wolken, wie sie auch auf der Erde zu finden sind. Um zu erklären, wie Galaxien wachsen, Sterne bilden und sich entwickeln, ist das Verständnis der Wechselwirkungen dieser Gase entscheidend. Die enormen Temperaturunterschiede haben sich jedoch als große Herausforderung für Simulationen erwiesen, da sie auch zu großen Unterschieden in der Dichte führen. Ein Team von Wissenschaftlern am MPA und am AIP (Potsdam) hat nun ein neues Modell namens MOGLI entwickelt. Damit können diese Wechselwirkungen mit bisher unerreichter Detailgenauigkeit verfolgt werden. Dabei werden das heiße und das kalte Gas als zwei gekoppelte Komponenten behandelt, die Material und Energie austauschen. So kann ein ursprünglich für zahlreiche terrestrische Anwendungen in Ingenieurskreisen entwickelter Multifluid-Ansatz dazu verwendet werden, das verborgene Leben von kaltem Gas in großen kosmologischen Simulationen zu erfassen.

Die großen gebundenen Systeme aus Milliarden von Sternen, die als Galaxien bezeichnet werden und zu denen auch unsere Milchstraße gehört, befinden sich in einem unsichtbaren Halo aus dunkler Materie. Der hellere Teil der Galaxie, der normalerweise durch ein Teleskop zu sehen ist, befindet sich nahe dem Zentrum dieses Halos. Der Rest ist mit dünnerem Gas gefüllt, das schwer zu beobachten ist, aber eine sehr wichtige Rolle bei der Entstehung und Entwicklung der Galaxie spielt. Es fungiert als Gasreservoir, das die Galaxie mit Material für die zukünftige Sternentstehung versorgt, aber auch Gas aufnimmt, wenn die vorhandenen Sterne als Supernovae explodieren. Dieses die Galaxie umgebende Reservoir wird als zirkumgalaktisches Medium bezeichnet.

Dieses Gas ist alles andere als gleichmäßig. Beobachtungen und Simulationen zeigen, dass es in vielen verschiedenen Formen vorkommt: als heißes, dünnes Plasma, das den größten Teil des Volumens ausfüllt, sowie als kleine, kalte Wolken, die einen großen Teil der Masse enthalten. Diese kalten Wolken sind für die Sternentstehung unerlässlich, aber sie sind empfindlich und werden ständig von dem heißen Wind um sie herum bedrängt. Ob sie überleben oder verdampfen, bestimmt maßgeblich die Entwicklung von Galaxien über einen Zeitraum von Milliarden von Jahren.

Die kalten Wolken sind im Vergleich zur Galaxie so klein, dass es unmöglich ist, sowohl die Galaxie als auch die Wolken in einer Simulation abzubilden. Die größte Herausforderung ist der enorme Unterschied in der Dichte. Im besten Fall ist es, als würde man eine Mischung aus Luft und Wasser untersuchen, im schlimmsten Fall, als würde man eine Mischung aus Steinen in der Luft betrachten. Selbst unter Berücksichtigung des Mooreschen Gesetzes und der damit einhergehenden Fortschritte in der Computertechnologie würde eine Simulation mit einer beträchtlichen Anzahl von Galaxien, die auch diese Wechselwirkungen erfasst, mindestens ein Jahrhundert dauern. Daher müssen Astrophysiker in der Praxis meist Kompromisse bei der genauen Modellierung dieser kleinräumigen Effekte eingehen, um ganze Galaxien zu simulieren. Dies führt zu einer begrenzten Vorhersagekraft, die stark von den Annahmen abhängt, die für diese Wechselwirkungen getroffen werden. Eine Möglichkeit, kleine Effekte zu berücksichtigen, die sich nicht simulieren lassen, ist die Verwendung von „Subgrid“-Rezepten. Ein echtes Subgrid-Modell verfolgt Prozesse, die auf kleinen Skalen stattfinden, selbstkonsistent, ohne dass diese Skalen aufgelöst werden müssen.

Um dieses Problem anzugehen, entwickelte ein gemeinsames Team von Forschern des MPA und des AIP (Potsdam) mit MOGLI (Model for Multiphase Gas using Multifluid Hydrodynamics) ein neues Framework. Dieses stellt heißes und kaltes Gas als zwei unterschiedliche, aber miteinander interagierende Fluide dar.

Das Modell basiert auf dem Multifluid-Modell, das in AREPO implementiert ist. AREPO ist ein hauseigener Magnetohydrodynamik-Code mit beweglichem Gitter am MPA, der häufig in groß angelegten Simulationen verwendet wird. Die Multifluid-Methode wurde ursprünglich entwickelt, um praktischere Szenarien zu simulieren, ähnlich wie bei der Untersuchung von Luftblasen in Wasser. Die gleiche Methode kann jedoch auch zur Simulation der Wechselwirkung zwischen heißem und kaltem Gas verwendet werden. Dabei behandelt das Modell die Mischung nicht als eine einzige Flüssigkeit, sondern verfolgt beide Komponenten sowie den Austausch von Impuls, Wärme und Masse zwischen ihnen.

In MOGLI beeinflussen sich die beiden Komponenten – das heiße, dünne und das kalte, dichte Gas – durch drei Schlüsselprozesse:

- Sog: beschreibt, wie das heiße Gas auf die kalten Wolken drückt oder zieht;

- Turbulente Mischung: Chaotische Bewegungen vermischen die beiden Phasen.

- Wachstum: Hier bildet sich kaltes Gas, wenn heißes Gas abkühlt und kondensiert.

Diese Wechselwirkungen hängen von den lokalen Eigenschaften des astrophysikalischen Gases ab. Eine wichtige Komponente ist beispielsweise die lokale Turbulenz: Ähnlich wie sich Rauch bei einer leichten Brise anders verteilt als bei einem Sturm, verhalten sich auch die Gasphasen.

Durch die Verknüpfung des Modells mit messbaren Strömungseigenschaften kann sich MOGLI an eine Vielzahl von Umgebungen anpassen – von den ruhigen Randgebieten von Galaxien bis hin zu heftigen galaktischen Winden.

Ein gutes Modell muss einen Verifizierungsprozess durchlaufen, bei dem es anhand einiger Benchmark-Szenarien getestet wird. So wird gezeigt, dass eine Simulation mit dem Subgrid-Modell einer Simulation mit kleinräumigen Effekten entspricht. In diesem Fall wurden aufwändigere, hochauflösende turbulente Box-Simulationen durchgeführt, die denen in einem früheren Highlight sehr ähnlich waren und als Benchmarks ausgewählt wurden. Simulationen mit niedriger Auflösung und MOGLI konnten das Verhalten von kaltem Gas in Bezug auf Zerstörungsraten, Überlebenskriterien und räumliche Ausbreitung aus den Benchmarks über einen sehr breiten Bereich von Simulationsparametern nachahmen.

Dieser Durchbruch bedeutet, dass groß angelegte Simulationen nun eine realistischere Darstellung der Mehrphasen-Gasdynamik ermöglichen. Damit wird die Lücke zwischen den Beobachtungen von Teleskopen und den Modellen von Computern geschlossen. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, langjährige Fragen zu erforschen: Wie entfernt sich das kalte Gas so weit von den Galaxien? Wie recyceln Ausflüsse aus Galaxien ihr Gas? Und was bestimmt die Mischung aus heißem und kaltem Gas, die wir in den Halos von Galaxien wie unserer Milchstraße sehen?

MOGLI ist von Grund auf flexibel konzipiert. Zukünftige Erweiterungen könnten Magnetfelder, dichteres Gas oder sogar kälteres Gas umfassen. Man nimmt an, dass diese die Vermischung und Abkühlung von Gas zusätzlich beeinflussen. Vorerst stellt MOGLI einen wichtigen Schritt hin zu einem realistischeren Bild der turbulenten und sich ständig verändernden Umgebung von Galaxien dar. Zudem gibt MOGLI einen Einblick in die Entwicklung des winzigen kalten Gases, das den Lebenszyklus von Galaxien prägen kann. Dies wird hoffentlich zu einer neuen Generation von Subgrid-Modellen und groß angelegten Simulationen mit stärkeren Vorhersagefähigkeiten führen und unser Verständnis des Universums erweitern.