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Simuliertes Universum Vom Urknall bis heute: Entstehung von Galaxien im Film

| Redakteur: Christian Lüttmann

Das Leben auf der Erde hat eine lange Geschichte. Doch gegen die Entstehung von Galaxien ist es nur ein Wimpernschlag. Mit einer neuen Simulation blicken Astronomen nun fast 14 Milliarden Jahre in die Vergangenheit – zu den Anfängen des Universums. Dabei haben sie u.a. herausgefunden, warum flache Scheibengalaxien so verbreitet im Kosmos sind.

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Simulierte Bilder von Scheibengalaxien aus der TNG50-Simulation im sichtbaren Licht. Jede Galaxie ist einmal in Draufsicht und einmal von der Seite gezeigt. Mit TNG50 konnten neue Erkenntnisse dazu gewonnen werden, wie solche Scheibengalaxien entstehen.
Simulierte Bilder von Scheibengalaxien aus der TNG50-Simulation im sichtbaren Licht. Jede Galaxie ist einmal in Draufsicht und einmal von der Seite gezeigt. Mit TNG50 konnten neue Erkenntnisse dazu gewonnen werden, wie solche Scheibengalaxien entstehen.
(Bild: D. Nelson (MPA) und das Illustris-TNG-Team)

Heidelberg, Garching, Cambridge/USA, New York City/USA – Kosmologische Simulationen erlauben Einblicke in die Ursprünge des Kosmos. Doch sind dafür gewaltige Datenmengen zu verarbeiten. Astronomen mussten sich aufgrund der begrenzten verfügbaren Rechenleistung deshalb üblicherweise entscheiden: Entweder konnten sie ihre Modelle sehr detailgetreu simulieren oder mit ihren Simulationen ein großes Volumen an virtuellem Raum umfassen, aber nicht beides.

Detaillierte Simulationen mit stark begrenztem Volumen können dabei nicht mehr als ein paar Galaxien modellieren, was statistische Rückschlüsse erschwert. Großräumigen Simulationen wiederum fehlen typischerweise die notwendigen Details, um wichtige Eigenschaften auf kleineren Skalen zu erklären, die wir in unserem eigenen Universum beobachten – was ihre Vorhersagekraft deutlich reduziert.

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Nun haben Wissenschaftler aus Deutschland und den Vereinigten Staaten eine neue, besonders umfangreiche Simulation der Evolution von Galaxien vorgestellt: TNG50 ist die bisher detailreichste kosmologische Großsimulation. Sie soll es Forschern ermöglichen, im Detail zu untersuchen, wie sich Galaxien bilden und wie sie sich von der Zeit kurz nach dem Urknall bis heute entwickelt haben. Der TNG50-Simulation gelingt es dabei erstmals, eine großräumige kosmologische Simulation mit der Detail-Auflösung von „hineingezoomten“ Simulationen zu verbinden, wie sie bislang nur für Untersuchungen einzelner Galaxien möglich waren.

Simulation im Universenwürfel

In einem würfelförmigen Ausschnitt des Weltalls mit Seitenlängen von 230 Millionen Lichtjahren kann TNG50 physikalische Phänomene darstellen, die auf Skalen auftreten, die eine Millionen Mal kleiner sind. So lässt sich die gleichzeitige Entwicklung Tausender von Galaxien über 13,8 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte hinweg verfolgen.

Die Bausteine der Simulation sind dabei 20 Milliarden „Teilchen“, welche dunkle Materie, Sterne, kosmisches Gas, Magnetfelder und supermassereiche Schwarze Löcher darstellen. Die Berechnung selbst erforderte 16.000 Computerkerne (cores) auf dem Supercomputer Hazel Hen in Stuttgart, die mehr als ein Jahr lang rund um die Uhr rechneten – das entspricht fünfzehntausend Jahren Rechenzeit auf einem einzigen Prozessor. TNG50 zählt damit zu den anspruchsvollsten astrophysikalischen Simulationen überhaupt.

Unerwartete Einsichten im simulierten Universum

Zu den ersten wissenschaftlichen Ergebnissen von TNG50 zählen auch einige unerwartete Phänomene. Dylan Nelson sagt: „Numerische Experimente dieser Art sind besonders erfolgreich, wenn mehr herauskommt, als man hineingesteckt hat. In unserer Simulation sehen wir Phänomene, die wir nicht explizit vorprogrammiert hatten. Diese Phänomene ergeben sich auf natürliche Weise aus dem Zusammenspiel der grundlegenden physikalischen Bestandteile unseres Modelluniversums“, sagt Dr. Dylan Nelson vom Max-Planck-Institut für Astrophysik. TNG50 liefert zwei Beispiele für diese Art von „emergentem“ Verhalten.

Entstehung und Entwicklung einer massereichen Galaxie in der TNG50-Simulation.
Hauptbild: kosmische Gasdichte auf mittleren Größenskalen. Kleinere Bilder (v.l.): Dichte der Dunklen Materie auf großen Skalen, Gasdichte auf großen Skalen, Zoom-Bilder der Sternverteilung (Helligkeit) und Gasdichte im Zentralbereich der Galaxie.

Am Ende der hier gezeigten Entwicklung ähnelt die Galaxie in punkto Masse und Form der Andromeda-Galaxie (M31). Nach einem stürmischen Anfang verläuft die Galaxienentwicklung weitgehend ruhig, sodass die Galaxie einen Gleichgewichtszustand erreichen kann.
Quelle: D. Nelson (MPA) und das Illustris-TNG-Team

Wie das galaktische Karussell in Fahrt kommt

Im ersten Beispiel geht es um die Entstehung von Scheibengalaxien wie unserer eigenen Milchstraße. Mit TNG50 als Zeitmaschine haben die Forscher die kosmische Geschichte zurückgespult. Dann konnten sie sich systematisch ansehen, wie die schnell rotierenden Scheibengalaxien mit ihren geordneten Sternbewegungen (die in unserer kosmischen Umgebung recht häufig sind) aus den chaotischen, ungeordneten und hoch turbulenten Gaswolken früherer Epochen hervorgehen.

Nach und nach kommt das Gas dabei zur Ruhe und Sterne, die aus diesem Gas entstehen, finden sich damit immer häufiger auf Kreisbahnen und bilden schließlich eine große Spiralgalaxie – eine Art galaktisches Karussell.

„TNG50 zeigt, dass sich unsere eigene Milchstraßengalaxie mit ihrer dünnen Scheibe voll im Trend befindet: In den vergangenen zehn Milliarden Jahren sind zumindest diejenigen Galaxien, in denen noch neue Sterne entstehen, immer scheibenartiger geworden, und ihre chaotischen inneren Bewegungsmuster haben sich deutlich abgeschwächt. Das Universum war viel chaotischer als heute, als es nur ein paar Milliarden Jahre alt war“, erklärt Dr. Annalisa Pillepich vom Max-Planck-Institut für Astronomie.

Gasfontänen im Universum

Und noch ein weiteres emergentes Phänomen haben die Astronomen bei der simulierten Evolution ihrer Galaxien ausgemacht: Gas und Teilchenwinde, die mit hoher Geschwindigkeit aus den Galaxien ausströmen. Hervorgerufen wird dieses Phänomen durch Supernova-Explosionen und durch die Aktivität der supermassereichen Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien. Das Gas verlässt die Galaxie dabei zunächst in beliebige Richtungen – eine durchaus chaotische Situation.

Aber mit der Zeit, und das wurde nicht von vornherein einprogrammiert, spielen sich die Gasströmungen auf einen Weg des geringsten Widerstands ein. Im späten Universum strömt das Gas dann typischerweise in zwei entgegengesetzte Richtungen innerhalb von kegelförmigen Regionen aus, die wie zwei Eistüten aussehen, Spitze an Spitze positioniert, mit der Galaxie in der Mitte. Solche Strukturen findet man auch in den astronomischen Beobachtungsdaten.

Unter dem Schwerkraft-Einfluss an Dunkler Materie, die sich in dem umschließenden Raum (Halos) der Galaxie befindet, werden diese Winde dann immer langsamer. Wie das Wasser einer Fontäne können sie auf die Ursprungsgalaxie zurückfallen und sie mit recyceltem Gas versorgen. Dieser Prozess sorgt außerdem für eine Umverteilung des Gases vom Zentrum einer Galaxie in ihre Außenbezirke, und beschleunigt damit die Umwandlung der Galaxie in eine dünne Scheibe: galaktische Strukturen bringen galaktische Fontänen hervor und umgekehrt.

Bereit für neue Entdeckungen

Die Ergebnisse und Simulationsdaten von TNG50 werden die beteiligten Wissenschaftler von den Max-Planck-Instituten Heidelberg und Garching, der Harvard-Universität, dem MIT und dem Center for Computational Astrophysics beizeiten im Ganzen veröffentlichen. Dann können Astronomen weltweit ihre eigenen Entdeckungen im TNG50-Universum machen – und womöglich noch weitere Beispiel für emergente kosmische Phänomene finden, bei denen auf kosmischen Größenskalen Ordnung aus dem Chaos des frühen Universums hervorgeht.

Originalpublikationen:

Dylan Nelson, Annalisa Pillepich, Volker Springel, Rüdiger Pakmor, Rainer Weinberger, Shy Genel, Paul Torrey, Mark Vogelsberger, Federico Marinacci, Lars Hernquist: First Results from the TNG50 Simulation: Galactic outflows driven by supernovae and black hole feedback, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 490, Issue 3, December 2019, Pages 3234–3261; DOI: 10.1093/mnras/stz2306

Annalisa Pillepich, Dylan Nelson, Volker Springel, Rüdiger Pakmor, Paul Torrey, Rainer Weinberger, Mark Vogelsberger, Federico Marinacci, Shy Genel, Arjen van der Wel, Lars Hernquist: First results from the TNG50 simulation: the evolution of stellar and gaseous discs across cosmic time, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 490, Issue 3, December 2019, Pages 3196–3233; DOI: 10.1093/mnras/stz2338

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