Die Bildung von Galaxien ist ein komplexer Tanz zwischen Materie und Energie, der auf einer Bühne von kosmischen Ausmaßen und über Milliarden von Jahren stattfindet. Wie die Vielfalt der strukturierten und dynamischen Galaxien, die wir heute beobachten, aus dem feurigen Chaos des Urknalls entstand, bleibt eines der schwierigsten ungelösten Rätsel der Kosmologie.
Auf der Suche nach Antworten hat ein internationales Wissenschaftlerteam das bislang detaillierteste Modell des Universums im großen Maßstab erstellt, eine Simulation, die sie TNG50 nennen. Ihr virtuelles Universum, das rund 230 Millionen Lichtjahre breit ist, enthält Zehntausende sich entwickelnder Galaxien mit Detaillierungsgraden, die bisher nur in Einzelgalaxienmodellen zu sehen waren. Die Simulation verfolgte über einen Zeitraum von 13,8 Milliarden Jahren mehr als 20 Milliarden Partikel, die dunkle Materie, Gase, Sterne und supermassereiche Schwarze Löcher repräsentieren.
Die beispiellose Auflösung und Größe ermöglichte es den Forschern, wichtige Einblicke in die Vergangenheit unseres eigenen Universums zu gewinnen und zu enthüllen, wie sich verschiedene seltsam geformte Galaxien in ihr Wesen verwandelten und wie Sternexplosionen und Schwarze Löcher diese galaktische Evolution auslösten. Ihre Ergebnisse werden in zwei Artikeln veröffentlicht, die in der Dezemberausgabe 2019 der Zeitschrift Monthly Notices der Royal Astronomical Society veröffentlicht werden.
TNG50 ist die neueste Simulation des IllustrisTNG-Projekts, die darauf abzielt, ein vollständiges Bild der Entwicklung unseres Universums seit dem Urknall zu erstellen, indem ein großräumiges Universum erzeugt wird, ohne die feinen Details einzelner Galaxien zu beeinträchtigen.
"Diese Simulationen sind riesige Datensätze, in denen wir eine Menge lernen können, indem wir die Entstehung und Entwicklung von Galaxien in ihnen analysieren und verstehen", sagte Paul Torrey, Associate Professor für Physik an der Universität von Florida und Co-Autor der Studie. "Das grundlegend Neue an TNG50 ist, dass Sie innerhalb der Galaxien eine ausreichend hohe Masse und räumliche Auflösung erreichen, die Ihnen ein klares Bild davon gibt, wie die interne Struktur der Systeme aussieht, wenn sie sich bilden und entwickeln."
Die Liebe zum Detail des Modells ist mit Kosten verbunden. Für die Simulation wurden 16.000 Prozessorkerne des Supercomputers Hazel Hen in Stuttgart benötigt, die mehr als ein Jahr ununterbrochen laufen. Die gleiche Berechnung würde für die Berechnung eines einzelnen Prozessorsystems 15.000 Jahre dauern. Obwohl es sich um eine der rechenintensivsten astrophysikalischen Simulationen in der Geschichte handelt, glauben die Forscher, dass sich ihre Investition gelohnt hat.
"Numerische Experimente dieser Art sind besonders erfolgreich, wenn Sie mehr herausholen als Sie hineingesteckt haben", sagte Dylan Nelson, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astrophysik in München und Mitautor der Studie, in einer Erklärung . "In unserer Simulation sehen wir Phänomene, die nicht explizit in den Simulationscode programmiert wurden. Diese Phänomene entstehen auf natürliche Weise aus dem komplexen Zusammenspiel der grundlegenden physikalischen Bestandteile unseres Modelluniversums."
Dieses aufkommende Phänomen könnte wesentlich sein, um zu verstehen, warum unser Universum so erscheint, wie es heute 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall ist. Mit TNG50 konnten Forscher aus erster Hand sehen, wie Galaxien aus den turbulenten Gaswolken hervorgegangen sein könnten, die kurz nach der Geburt des Universums vorhanden waren. Sie entdeckten, dass die scheibenförmigen Galaxien, die unserer kosmischen Nachbarschaft gemeinsam sind, in ihrer Simulation auf natürliche Weise entstanden sind und interne Strukturen erzeugten, darunter Spiralarme, Ausbuchtungen und Balken, die sich von ihren zentralen supermassiven Schwarzen Löchern aus erstrecken. Als sie ihr computergeneriertes Universum mit realen Beobachtungen verglichen, stellten sie fest, dass ihre Galaxienpopulation qualitativ mit der Realität übereinstimmte.
Als sich ihre Galaxien weiter zu gut geordneten rotierenden Scheiben abflachten, trat ein anderes Phänomen auf. Supernova-Explosionen und supermassereiche Schwarze Löcher im Herzen jeder Galaxie erzeugten schnelle Gasabflüsse. Diese Abflüsse verwandelten sich in Gasbrunnen, die Tausende von Lichtjahren über einer Galaxie aufstiegen. Das Ziehen der Schwerkraft brachte schließlich einen Großteil dieses Gases zurück zur Scheibe der Galaxie, verteilte es an ihren äußeren Rand und erzeugte eine Rückkopplungsschleife von Gasabfluss und -zufluss. Neben dem Recycling der Inhaltsstoffe zur Bildung neuer Sterne wurde auch gezeigt, dass die Abflüsse die Struktur ihrer Galaxie verändern. Die recycelten Gase beschleunigten die Umwandlung von Galaxien in dünne rotierende Scheiben.
Trotz dieser ersten Erkenntnisse ist das Team noch lange nicht mit der Analyse seines Modells fertig. Sie planen auch, alle Daten der Simulation öffentlich für Astronomen auf der ganzen Welt zu veröffentlichen, um ihren virtuellen Kosmos zu untersuchen.
"Jetzt, da wir diese Simulationen abgeschlossen haben, liegt ein riesiger Weg vor uns", sagte Torrey. "Ein ganzes Forscherteam arbeitet daran, die detaillierten Eigenschaften der gebildeten Galaxien und die sich abzeichnenden Trends in diesen Daten besser zu verstehen."
