Galaxienentstehung in separaten Universen

1. Dezember 2019

Anstatt spezielle Regionen in aufwändigen großen Simulationen zu untersuchen, verwenden MPA-Wissenschaftler das IllustrisTNG-Modell, um separate Universen mit einer modifizierten Kosmologie zu erschaffen. Die Analyse dieser separaten Universen zeigt, dass die gemessene Anzahl der Galaxien je nach Messmethode steigt oder sinkt, wenn sich die Dichte der Baryonen (also der "normalen" Materie) ändert. Auch die großräumige Verteilung der Materie wird durch die Auswirkungen der Baryonen beeinflusst, wobei verschiedene Messungen unterschiedlich reagieren.

Skizze des Formalismus der separaten Universen: die Strukturentwicklung in speziellen Regionen unseres Universums ist gleichbedeutend mit der Strukturentwicklung in entsprechend modifizierten Universen. Die blaue Linie kennzeichnet eine Massenstörung: Regionen über der gestrichelten Linie haben mehr Masse als der Durchschnitt.

Stellen Sie sich vor, Sie reisen durch das Universum und wollen einige Eigenschaften wie die Anzahl der Galaxien in einer bestimmten Region des Universums messen. Diese Zahl wird während der Reise nicht überall gleich sein, denn verschiedene Regionen des Universums sind unterschiedlich. So gab es in einigen Bereichen am Anfang des Universums, kurz nach dem Urknall, einen leichten Überschuss an Materie; hier stand mehr Material zur Entstehung von Galaxien zur Verfügung, und so wird man dort mehr Galaxien zählen. Astrophysiker müssen diese Fluktuationen bei der Analyse von Beobachtungsdaten berücksichtigen. Insbesondere könnte es sein, dass der gerade beobachtete Teil des Universums ungewöhnlich und nicht repräsentativ für das gesamte Universum ist. Eine solche Analyse kann mit Hilfe von sogenannten „Antwortfunktionen“ (response functions) durchgeführt werden, die aussagen, wie sich eine bestimmte statistische Messung des Universums ändert, wenn sich die Eigenschaften der zugrunde liegenden Region ändern.

Bereits seit einiger Zeit beschäftigen sich Forscher am MPA mit Antwortfunktionen und deren Anwendungen. Dies kann beispielsweise mit dem „Formalismus der separaten Universen“ geschehen, der besagt, dass Strukturen, die in unserem Universum in einer speziellen (z.B. über- oder unterdichten) Region entstehen, und Strukturen, die in einer normalen Region eines anderen/separaten Universums entstehen würden (siehe Abb. 1), gleich sind. Die Analyse der Antwortfunktionen ist in diesem Formalismus einfacher, da man leichter numerische Simulationen zur Analyse der Strukturentstehung in anderen Universen einsetzen kann, als Simulationen von speziellen Regionen in unserem Universum. Bisher wurde bei numerischen Studien der Antwortfunktionen nur die Wirkung der Schwerkraft berücksichtigt. Ein Forscherteam des MPA hat kürzlich diese Einschränkung mit separaten Universums-Simulationen mit dem IllustrisTNG-Modell zur Galaxienentstehung überwunden. Diese Simulationen erlaubten es ihnen Antwortfunktionen zu untersuchen, die auch wichtige baryonische Effekte wie hydrodynamische Kräfte, Gaskühlung, sowie die Entstehung von Sternen und Schwarzen Löchern beinhalten.

Galaxienentstehung mit einem Überschuss an Baryonen

Skizze einer kompensierten Fluktuation (CIP): Die Gesamtmasse bleibt gleich, aber in einigen Regionen werden mehr Baryonen durch weniger dunkle Materie kompensiert.

Die Materie im Universum kann grob in zwei Arten unterteilt werden: (i) dunkle Materie, die nicht mit Licht wechselwirkt und den größten Teil der Masse (80 %) ausmacht, und (ii) den gesamten Rest. Dieser Rest setzt sich aus der gewöhnlichen Materie, d.h. den in Experimenten der Teilchenphysik nachgewiesenen Teilchen zusammen, die zusammenfassend als Baryonen bezeichnet werden. Während die dunkle Materie die dominante Quelle der Gravitationsenergie ist, die die Strukturentwicklung antreibt, bestehen Sterne und Galaxien aus Baryonen. Daher sollte die Anzahl der Galaxien von der Anzahl der verfügbaren Baryonen in einer beobachteten Region abhängen. Mit anderen Worten, die Anzahl der Galaxien reagiert auf die baryonische Dichte.

Einige theoretische Modelle des sehr frühen Universums (auch bekannt als Inflationsphase) sagen voraus, dass es Regionen im Universum mit einem Überschuss an Baryonen geben sollte, der durch eine Unterdrückung der Anzahl der dunklen-Materie-Teilchen genau kompensiert wird. Diese Regionen werden als kompensierte Störungen (engl. Compensated Isocurvature Perturbations, CIP) bezeichnet, siehe Abb. 2. Forscher des MPA haben untersucht, wie die Anzahl der Galaxien auf diese Fluktuationen reagiert, indem sie die Galaxienentstehung in Universen mit unterschiedlichen Gesamtmengen an Baryonen und dunkler Materie simulieren.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass die Anzahl der Galaxien tatsächlich stark von der Menge der baryonischen Materie abhängt. Interessanterweise hängt das Vorzeichen dieser Abhängigkeit jedoch von der Art und Weise ab, wie Galaxien klassifiziert werden. Wird die Anzahl der Galaxien als Funktion der Gesamtmasse (Dunkle Materie + Baryonen) gemessen, ist die Reaktion auf CIP-Störungen negativ, d.h. es gibt weniger Galaxien mit einer bestimmten Gesamtmasse. Wird jedoch die Anzahl der Galaxien als Funktion der Sternmasse (nicht der Gesamtmasse) gemessen, zeigt die Reaktion nun einen positiven und damit gegenteiligen Trend, d.h. es gibt mehr Galaxien mit einer gegebenen Sternmasse. Die MPA-Forscher verfolgten den Ursprung dieses Vorzeichenwechsels auf die Veränderungen zurück, die die CIP-Störungen beim Verhältnis zwischen Gesamtmasse und Sternmasse in den Galaxien induzieren.

Diese Studie lieferte somit die erste Vorhersage der Auswirkungen von CIP-Störungen auf die beobachtete Anzahl von Galaxien, die nun in theoretische Modelle der Verteilung von Galaxien im Universum integriert werden können. Dies wiederum wird es Astronomen ermöglichen, die Statistiken der Galaxien zu nutzen, um nach wichtigen Signaturen aus dem frühen Universum zu suchen.

Verwendung von Antwortfunktionen zur Vorhersage schwacher Gravitationslinsen

Das obere Bild zeigt eine simulierte Karte des Himmels erstellt auf Grundlage des schwachen Gravitationslinseneffektes sowie darüber die 2-, 3- und 4-Punkt-Funktionen. Das untere Bild zeigt den prozentualen Einfluss der baryonischen Effekte auf die N-Punkt-Funktionen. Die Größe lh auf der x-Achse ist umgekehrt proportional zum Abstand: große Skalen befinden sich links, kleine Skalen rechts. Die vertikalen gestrichelten Linien entsprechen den Skalen, bei denen die Wirkung der Baryonen mehr als 1 % beträgt. Alle N-Punkt-Funktionen sind von baryonischen Effekten auf kleinen Skalen betroffen, reagieren aber alle unterschiedlich.

Der Formalismus der separaten Universen kann auch auf großskalige Karten der gesamten Materieverteilung angewendet werden. Auf seinem Weg zur Erde wird das von entfernten Galaxien emittierte Licht durch die Gravitationswirkung der dazwischen liegenden Materie abgelenkt. Dieser Effekt, der so genannte schwache Gravitationslinseneffekt, verzerrt die beobachteten Bilder der fernen Galaxien und kann zur Erstellung von Himmelskarten der Gesamtmasse zwischen Erde und Galaxien verwendet werden, siehe Abb. 3. Diese Karten enthalten Informationen über die Physik unseres Universums und um diese Informationen zu organisieren werden oft N-Punkt-Korrelationsfunktionen eingesetzt: Wie korreliert die Materiedichte zwischen N-Punkten?

Seit geraumer Zeit beschränkten sich Kosmologen auf die Wirkung der Schwerkraft, um theoretische Vorhersagen für diese Statistiken zu erhalten; vor kurzem wurde den Astrophysikern aber bewusst, dass baryonische Effekte von entscheidender Bedeutung sind. So kann beispielsweise die Erwärmung und der Ausstoß von Gas durch Schwarze Löcher im Zentrum massereicher Galaxien die Gesamtverteilung der Masse erheblich verändern; der schwache Grevitationslinseneffekt reagiert hierauf empfindlich. Die Auswirkungen baryonischer Effekte auf Funktionen höherer Ordnung waren noch weitgehend unerforscht, MPA-Forscher konnten diesbezüglich in jüngster Zeit Fortschritte machen. Insbesondere wurden separate-Universums-Simulationen der Galaxienentstehung verwendet, um den Einfluss baryonischer Effekte auf die Antwort der 2-Punkt-Funktion zu messen, die wiederum in theoretischen Modellen verwendet wurde, um den Einfluss von Baryonen auf 3- und 4-Punkt-Funktionen vorherzusagen.

Der anteilige Einfluss der baryonischen Effekte auf die 2-, 3- und 4-Punkte-Korrelationsfunktionen ist in Abb. 3 dargestellt Alle Statistiken zeigen eine Unterdrückung ihrer Amplitude von ca. 5%-20% auf kleinsten Skalen (rechter Teil). Dies entspricht den erwarteten Auswirkungen von schwarzen Löchern, die das Dichtefeld glatter und damit die Korrelation von Störungen schwächer macht. Ein wichtiger Aspekt dieser Studie war die Tatsache, dass die verschiedenen N-Punkt-Funktionen quantitativ unterschiedlich von derselben Aktivität der schwarzen Löcher betroffen sind. Die Ergebnisse der MPA-Wissenschaftler eröffnet damit ein neues Fenster, um wichtige Auswirkungen auf die Galaxienentstehung (z.B. durch die Aktivität schwarzer Löcher) durch eine kombinierte Analyse verschiedener N-Punkt-Funktionen mit dem schwachen Gravitationslinseneffekt zu untersuchen.

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