SIMULATIONEN
Das chaotische Wachstum von Galaxien
von Stefan Deiters
astronews.com
29. Mai 2013

Umfangreiche Computersimulationen ermöglichten Astronomen nun neue Einblicke in die Prozesse, die Galaxien wachsen lassen. Offenbar strömt kaltes Gas entlang von Filamenten in die Zentren der Systeme und steht dort als Grundstoff für neue Sterne zur Verfügung. Das Wachstum der Galaxien könnte damit anders ablaufen, als lange angenommen.

Ausschnitt aus der Simulation über die Entstehung und Entwicklung einer Galaxie. Bild: N-Body Shop at University of Washington

"Die Entstehung von Galaxien ist wirklich chaotisch", meint Kyle Stewart von der California Baptist University in Riverside, der Erstautor eines Artikels über die Untersuchung, der gerade in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal erschienen ist. "Wir benötigten über Monate mehrere Hundert Computerprozessoren, um die Vorgänge zu simulieren und mehr über sie zu lernen."

Nach den Vorstellungen der Astronomen entstanden Galaxien im jungen Universum aus Klumpen von Materie, die durch Filamente zu einem weiten "kosmischen Netz" verknüpft waren. In den einzelnen Galaxien konnten Sterne aus kaltem Gas entstehen, das sich ausreichend verdichtet hatte, um die Geburt neuer Sonnen zu ermöglichen.

Bislang war man davon ausgegangen, dass Gas aus allen Richtungen in die Zentren der wachsenden Galaxien geströmt ist. Die Gaswolken kollidierten dort miteinander, es entstanden Stoßwellen, wodurch sich das Gas aufheizte. Nach einiger Zeit kühlte es aber schließlich ab und sammelte sich im Zentrum der Galaxie, so dass die Entstehung von Sternen einsetzen konnte. Dieser ganze Prozess, so die Theorie, nahm eine sehr lange Zeit in Anspruch - bis zu acht Milliarden Jahre.

Untersuchungen aus jüngerer Zeit passten jedoch nicht ganz zu diesem Ablauf: Man hatte nämlich beispielsweise festgestellt, dass Gas in kleineren Galaxien nicht aufgeheizt wird. Deswegen entwickelten Wissenschaftler eine alternative Theorie, bei der kaltes Gas entlang von Filamenten in die Galaxienzentren strömt. Stewart und sein Team wollten mit ihrer Studie nun überprüfen, ob diese Theorie das Wachstum von Galaxien tatsächlich erklären kann, wie genau das kalte Gas in die Galaxien gelangt und mit welcher Rate es ins Innere der Systeme strömt.

Die Erforschung der Galaxienentstehung und -entwicklung ist eines von vielen Problemen in der Astrophysik, die sich nicht durch Experimente oder einfaches Beobachten lösen lassen. An die Stelle des Experiments treten Computersimulationen, in denen man die vermuteten Abläufe so gut wie möglich nachstellt. Als Ergebnis liefern die Simulationen dann Daten über das modellierte System, die sich mit realen Objekten in bestimmten Entwicklungsphasen vergleichen lassen.

Für die jetzt vorgestellte Studie führten die Wissenschaftler vier verschiedene Simulationen durch, bei denen jeweils die Entwicklung einer milchstraßenähnlichen Galaxie von 57 Millionen Jahren nach dem Urknall bis in die Gegenwart verfolgt wurde. Am Anfang standen jeweils die Grundbausteine von Galaxien: Wasserstoff, Helium und Dunkle Materie. Anschließend ließ man den Gesetzen der Physik freien Lauf. Aufgrund der zahlreichen Wechselwirkungen, die dabei zu betrachten waren, benötigte man dafür die Rechenleistung eines Supercomputers.

"Solche Simulationen sind wie ein riesiges Schachspiel", vergleicht Alyson Brooks von der University of Wisconsin, die auch zum Team gehörte. "Für jeden Zeitpunkt mussten wir berechnen, wie ein Teilchen - oder unser Schachspielstein - sich als nächstes bewegen soll und dies abhängig von den Positionen aller anderen Partikel. In der Simulation sind mehrere zehn Millionen Partikel. Zu berechnen, wie die Gravitationskräfte jedes einzelne Teilchen beeinflussen, ist extrem zeitaufwändig."

Doch der Aufwand hat sich gelohnt: Die Analyse der Daten bestätigte, dass kaltes Gas tatsächlich entlang von Filamenten in die Galaxien gelangt - und dies deutlich schneller, als bislang vermutet worden war, nämlich innerhalb von nur einer Milliarde Jahren. "Wir haben herausgefunden, dass die Filamentstrukturen, auf denen Galaxien aufgebaut sind, entscheidend für ihr Wachstum sind, da sie das Gas sehr effizient ins Innere der Galaxien leiten", fasst Teammitglied Leonidas Moustakas vom Jet Propulsion Laboratory zusammen.

Die Simulationen ergaben auch neue Hinweise auf überraschend hohe Geschwindigkeiten, mit denen sich Gas und auch Dunkle Materie entlang der Filamente bewegen - Daten, die helfen könnten, manche Beobachtungen in Galaxien zu erklären. "Das Ziel von Galaxiensimulationen ist, sie mit dem zu vergleichen, was Teleskope beobachten und dann zu entscheiden, ob wir wirklich verstehen, wie eine Galaxie entsteht", so Stewart. "Das hilft uns, das wirkliche Universum zu begreifen."