L-GALAXIES 2020: Modelling millions of galaxies across billions of years

1. März 2020

Ein neues Modell der Galaxienentstehung unterstützt Wissenschaftler dabei, die Verteilung von Gas und Sternen innerhalb von Galaxien besser zu verstehen. Forscher des MPA in Garching haben zusammen mit Kollegen aus der Schweiz, China, Großbritannien und Island L-GALAXIES 2020 veröffentlicht, die neueste Version des L-GALAXIES-Modellprojekts. Es handelt sich dabei um eine Computersimulation, die viele Millionen Galaxien gleichzeitig errechnet, von denen sich jede selbstkonsistent über Milliarden von Jahren kosmischer Zeit entwickelt.

Abb. 1: Ein Ausschnitt des tiefen Weltraums aus dem L-GALAXIES-Modell. Dieses Bild wurde mit Hilfe des virtuellen MRObs-Observatoriums erstellt, das Galaxien mit bekannter Position, Masse, Alter, Größe usw. aus dem Modell auswählt, ihnen zufällige Neigungen zuweist und ihre beobachtete Farbe so berechnet, wie sie mit dem Hubble-Weltraumteleskop gesehen werden würde.

Der Schlüssel von L-GALAXIES liegt in seiner Effizienz. Das Modell rechnet zehntausend Mal schneller als die neuesten hydrodynamischen Simulationen, obwohl es hundertmal größer ist. Dafür nimmt es Einschränkungen in Kauf in der Art und Weise, wie die Dynamik und Morphologie von Galaxien modelliert werden können. Nichtsdestotrotz erlaubt es den Wissenschaftlern, die tatsächliche Auswirkung und Effizienz wichtiger astrophysikalischer Prozesse wie Gaskühlung, Sternentstehung und Rückkopplung durch Supernovae und Schwarze Löcher genau zu bestimmen, indem es ausgeklügelte statistische Techniken zur Beschränkung deren wichtigster Parameter einsetzt.

L-GALAXIES 2020 ist das erste Modell seiner Art, das gleichzeitig physikalische Vorschriften für die Bildung von molekularem Wasserstoff, die Produktion chemischer Elemente in Sternen und Supernovae und den Fluss von Materie in radial aufgelösten Galaxien enthält. Diese Verbesserungen erlauben eine völlig neue Dimension an möglichen Studien. Beispielsweise können Wissenschaftler jetzt L-GALAXIES 2020 verwenden, um Daten über die innere Verteilung von Gas und Sternen in realen Galaxien auszuwerten, die mit Integral-Feldeinheiten (IFUs) an leistungsstarken bodengebundenen Teleskopen aufgenommen werden.

Die Fähigkeit, Galaxien räumlich aufzulösen, ist entscheidend für die Modellierung des Übergangs von atomarem zu molekularem Gas in Galaxien. Man geht davon aus, dass die Entstehung von molekularem Gas von der Gasdichte abhängt und vorwiegend in den dichtesten Regionen in der Nähe der Galaxienzentren stattfindet. Um die Entstehung von molekularem Wasserstoff korrekt zu verfolgen, ist es daher notwendig, die Oberflächendichte von kaltem Gas im Inneren von Galaxien genau zu verfolgen.

Was hat L-GALAXIES 2020 also ergeben?

Abb. 2: Die beiden Diagramme zeigen die Sternentstehungsrate in Bezug auf die Entfernung vom Zentrum für Galaxien mit Sternentstehung, die unserer Milchstraße ähnlich sind (linkes Feld) und massereichere, passive Galaxien (rechtes Feld). Die Farbe zeigt Modellgalaxien in L-GALAXIES 2020, von der Rotverschiebung 8,2 (vor ~13,2 Milliarden Jahren, rote Linien) bis zur Rotverschiebung 0 (heute, blaue Linien).

Mit der Zeit nimmt in Milchstraßen-ähnlichen Galaxien die Dichte der Sternentstehung im Zentrum ab und an den Rändern zu. Dies wird als "Inside-Out-Wachstum" bezeichnet. Die massereicheren Galaxien weisen zunächst eine ähnliche Entwicklung wie die Milchstraßen auf; bei einer Rotverschiebung ~2 beginnt jedoch ihre gesamte Sternentstehung aufgrund der beginnenden Rückkopplung der supermassereichen Schwarzen Löcher stark abzunehmen.

Nun, das Modell kann gleichzeitig sowohl die globalen Eigenschaften von Galaxien als auch ihre interne Verteilung wiedergeben, aber nur unter bestimmten Bedingungen. Erstens muss das Gas schnell in die Zentren der Galaxien strömen, um den für die Sternentstehung erforderlichen Treibstoff nachzuliefern, wobei an den Rändern der Galaxienscheiben Geschwindigkeiten von etwa 200.000 km/h erreicht werden müssen. Zweitens müssen die Supernova-Explosionen, die durch sterbende Sterne verursacht werden, sehr effizient Materie herausblasen, indem sie 800.000 km/h schnelle, großräumige Winde treiben. Drittens müssen fast alle neu gebildeten chemischen Elemente, die in den Herzen der Sterne und ihrer Supernovae geschmiedet wurden, in diesen Winden herausgeblasen werden, bevor sie später wieder auf die Galaxien zurückregnen können.

Diese letzte Einschränkung ist entscheidend, um die beobachtete Abnahme der chemischen Häufigkeit (oft als "Metallizität" bezeichnet) mit dem Radius in nahen Galaxien in Einklang zu bringen (siehe Abb. 3). Wenn zu wenig Material durch Supernovae aus den Zentren von Galaxien herausgeblasen wird, können Metallizität, Gasdichte und Sternentstehungsrate zu hoch werden.

Die Gesamtmenge an ionisiertem Wasserstoff (die häufigste baryonische Materie im Universum), die in Galaxien gefunden wird, wird durch dieses Modell ebenfalls gut reproduziert; und dies gilt für Galaxien mit zehn Millionen Sternen bis zu solchen mit Hunderten von Milliarden. Dies stellt einen bedeutenden Erfolg dar, da es für die Modelle eine besondere Herausforderung war, sowohl die Massen der Sterne als auch die Massen von ionisiertem Wasserstoff in kleinen Galaxien im nahen Universum abzugleichen.

Was ist der nächste Schritt für L-GALAXIES 2020?

Abb. 3: Darstellung der aufsummierten Verteilung von Sauerstoffatomen in nahegelegenen Galaxien. Linkes Feld: Beobachtete Galaxien aus dem FIREFLY-Projekt (Goddard et al. 2017), aufgenommen mit dem MaNGA IFU. Die Aufnahmen der einzelnen Galaxien werden addiert, um diese zusammengesetzte Karte zu erhalten, die die typische Verteilung der Sauerstoffhäufigkeit in der Probe zeigt. Rechtes Feld: Mit dem gleichen Verfahren werden Modellgalaxien aus L-GALAXIES 2020 aufsummiert. Man kann die diskreten Ringe unterscheiden, die zur Modellierung der radialen Verteilung der Eigenschaften verwendet werden. Die Sauerstoffmenge als Funktion des Radius ist der von MaNGA beobachteten sehr ähnlich.

Wissenschaftler am MPA arbeiten bereits an weiteren Verbesserungen des Modells, einschließlich dem sogenannten „Gas-Stripping“ in Galaxien, bei dem aufgrund von Staudruck bei der Reise durch den tiefen Weltraum Gas aus den Galaxien entfernt wird, und an Verbesserungen bei der Modellierung der so wichtigen Gasströme in Galaxien. Das Modell wird nun auch zur Untersuchung des Universums bei höherer Rotverschiebung verwendet, um zu entschlüsseln, wie sich die in den frühesten und entferntesten Galaxien gebildeten chemischen Gradienten im Laufe der Zeit zu dem entwickelten, was wir heute sehen. Bleiben Sie also dran, um mehr über baldige aufregende Entdeckungen zu erfahren!

Das Datenprodukt des L-GALAXIES 2020 Modell steht jetzt zum Download bereit (via der Millennium Datenbank, Login erforderlich). Diese wertvolle Online-Datenbank erlaubt es Wissenschaftlern weltweit, auf dieses Modell zuzugreifen und die Entstehung von Modell-Galaxien über kosmische Zeit mit dem echten Universum zu vergleichen.

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