Kosmologische Simulationen machen das Wachstum von Galaxien über Milliarden Jahre sichtbar. Ausgehend von der Materieverteilung im frühen Universum berechnet IllustrisTNG die gemeinsame Entwicklung Dunkler Materie, von Gas, Sternen, Schwarzen Löchern und Magnetfeldern. Die TNG50-Forschung und offizielle Visualisierungen zeigen, wie sich Gas sammelt, Sterne bildet und im Zusammenspiel von Zustrom und Rückkopplung galaktische Scheiben aufbaut.
Das Wichtigste
- IllustrisTNG berechnet mit dem AREPO-Code die Entwicklung von Galaxien in einem virtuellen Universum. Dabei werden Dunkle Materie, Gas, Sterne, supermassereiche Schwarze Löcher und Magnetfelder gemeinsam verfolgt.
- Ein offizieller TNG50-Film zeigt, wie eine Galaxie aus turbulentem Gas eine geordnete Scheibe entwickelt. Zur heutigen Zeit hat sie eine ähnliche Masse wie Andromeda.
- Sterne und Schwarze Löcher geben durch Rückkopplung Energie an das umgebende Gas ab. Gemeinsam mit anhaltendem Gaszustrom reguliert dies das Wachstum der Galaxie.
- Das Modell wird anhand von Beobachtungsstatistiken kalibriert und geprüft. Es erklärt Muster ganzer Galaxienpopulationen; die Physik auf kleineren Skalen erfordert weiterhin Näherungen.
Gas strömt aus der Umgebung ein. Kleinere Strukturen nähern sich und verschmelzen, während im Zentrum allmählich eine rotierende Scheibe entsteht. Supercomputer verwandeln Milliarden Jahre Galaxienwachstum in eine zusammenhängende Bildfolge. So lässt sich verfolgen, wie eine Galaxie aus ihrer kosmischen Umgebung hervorgeht. Die Forschung und öffentlichen Visualisierungen von IllustrisTNG machen diese lange Geschichte zu einem physikalischen Prozess, den man analysieren und mit Beobachtungen vergleichen kann.
Materie entwickelt sich, Galaxien entstehen
IllustrisTNG erzeugt ein großes virtuelles Raumvolumen und entwickelt es vom frühen Universum bei einer Rotverschiebung von z = 127 bis zur Gegenwart bei z = 0. Die Berechnung verfolgt die Gravitation Dunkler Materie sowie Gasströmungen, Kühlung und Magnetfelder. Hinzu kommen Sternentstehung, die Erzeugung chemischer Elemente, das Wachstum Schwarzer Löcher und energetische Rückkopplung. Die Formen der Galaxien ergeben sich allmählich aus dem Zusammenspiel dieser Prozesse.
Strukturen Dunkler Materie bilden das gravitative Gerüst. Entlang des kosmischen Netzes sammelt sich Gas in dichteren Regionen. Kühlt es ab, kann es die Sternentstehung speisen. Rotation, Akkretion und Verschmelzungen verändern fortlaufend die Größe und Gestalt der Galaxien. Damit lässt sich untersuchen, welche Wachstumsgeschichten eine Scheibe erhalten und welche Wechselwirkungen eine Galaxie grundlegend umformen.
Aus turbulentem Gas wird eine geordnete Scheibe
Ein offizieller TNG50-Film verfolgt eine Galaxie mit der Bezeichnung g1. Anfangs entstehen in ihrem turbulenten Gasreservoir rasch neue Sterne. Nachdem die Rotverschiebung unter etwa 2 fällt, bildet das Gas nach und nach eine geordnetere Scheibe. Eine vergleichsweise ruhige spätere Entwicklung ohne große Verschmelzungen ermöglicht ein annäherndes Gleichgewicht zwischen stellarer Rückkopplung und einströmendem Gas. Zur heutigen Zeit besitzt die simulierte Galaxie eine ähnliche Masse wie Andromeda. Die Szene der Lokalen Gruppe zeigt Andromeda und benachbarte Galaxien in ihrem räumlichen Umfeld; g1 ist ein simuliertes Beispiel.
Dieses Beispiel passt auch zu den TNG50-Studien ganzer Galaxienpopulationen. Das Modell sagt voraus, dass Scheibenformen unter sternbildenden Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit häufiger werden. Dank der hohen Auflösung von TNG50 können Forschende Dicke, Form und Rotation vieler Galaxien zugleich untersuchen. Damit geht die Analyse über eine einzelne eindrucksvolle Wachstumsgeschichte hinaus.
Galaxien nehmen Gas auf und treiben es hinaus
Während des Wachstums strömt weiter Materie nach innen, während Energie nach außen übertragen wird. Supernovae und akkretierende supermassereiche Schwarze Löcher speisen Energie in das umgebende Gas ein und treiben Ausströmungen auf galaktischen Skalen an. Diese Rückkopplung kann Gas aufheizen, einen Teil der Materie aus der Galaxie verdrängen und den Brennstoffvorrat für spätere Sternentstehung verändern.
Eine begleitende TNG50-Studie untersucht diese Ausströmungen und zeigt, wie stellare Rückkopplung und die Rückkopplung Schwarzer Löcher gemeinsam das Gas um Galaxien prägen. Betrachtet man Zu- und Abströme zusammen, erscheint die Galaxie als ein System, das ständig Materie mit seiner Umgebung austauscht. Sowohl der Aufbau ihrer Scheibe als auch das Tempo der Sternentstehung hängen mit diesem Austausch zusammen.
Virtuelle Galaxien am realen Himmel prüfen
IllustrisTNG wird anhand beobachteter Statistiken kalibriert: etwa der Massenverteilung und Größe von Galaxien, der Beziehung zwischen Schwarzen Löchern und ihren Wirtsgalaxien sowie der Geschichte der kosmischen Sternentstehung. Weitere Beobachtungen prüfen anschließend die Vorhersagen. Die Berechnungen geben viele Eigenschaften von Galaxienpopulationen wieder und zeigen zugleich, wo das Modell noch vom realen Universum abweicht.
Die räumliche und die Massenauflösung der Simulationen sind begrenzt. Manche Details der Sternentstehung und der unmittelbaren Umgebung Schwarzer Löcher müssen deshalb durch Näherungsmodelle beschrieben werden, die auf Beobachtungen und kleinräumigeren Studien beruhen. Neben dem Entstehen von Spiralarmen ist entscheidend, ob dieselbe Physik viele unterschiedliche Galaxien zugleich erklären kann. Wenn im virtuellen Universum Strukturen ähnlich denen am Himmel entstehen, lässt sich konkreter prüfen, warum Galaxien heute ihre jeweiligen Formen besitzen.
Der Materiekreislauf hinter dem Galaxienwachstum
Die folgende Abbildung fasst den Materieaustausch als Kreislauf zusammen. Blaues Gas strömt aus der Umgebung zur Galaxie und liefert Brennstoff für neue Sterne. Goldenes Gas wird durch die Rückkopplung von Sternen und Schwarzen Löchern angetrieben und breitet sich ober- und unterhalb der Scheibe entlang von Wegen geringeren Widerstands aus. Ein Teil des ausströmenden Gases wird langsamer und fällt entlang der blassvioletten Bögen in die äußeren Bereiche der Galaxie zurück: eine galaktische Fontäne. Diese Strömungen verteilen Gas neu und beeinflussen gemeinsam mit der Scheibe deren Wachstum. Farben, Pfeile und Größenverhältnisse unterscheiden die Prozesse, ohne genaue Werte für einen bestimmten Zeitpunkt darzustellen.
