Entstehung von Spiralgalaxien simuliert

Mit tausenden Prozess­oren, mehreren Terabyte Daten und Monaten an Rechen­zeit hat eine Gruppe inter­nationaler Forscher im Rahmen des Auriga-Projekts die bisher größten und hochauf­lösendsten Simulationen von Galaxien wie der Milch­straße erstellt. Um die Geschichte und Struktur des Universums zu verstehen, untersuchen Astro­nomen Galaxien mit Hilfe von Teleskopen und Simu­lationen und fügen ihre Ergebnisse zu einem großen Ganzen zusammen. Es wird davon ausgegangen, dass Spiral­galaxien, wie zum Beispiel unsere Milch­straße, aus mehreren hundert Milliarden Sternen sowie großen Mengen an Gas und Staub bestehen.

Galaxien wie unsere Milch­straße haben die Form einer Spirale. In ihrer Mitte befindet sich ein schwarzes Loch, das von älteren Sternen und Spiral­armen umgeben ist. Wie diese Strukturen genau entstanden sind, ist eine Schlüssel­frage in der Erforschung des Kosmos. Die immensen Größen­skalen von Galaxien sowie die komplexe Physik, die für ihre Berechnung benötigt werden, gelten als die größten Heraus­forderungen bei der Simulation solcher Strukturen mit Hilfe von Computer­modellen. So ist die Masse von einzelnen Sternen, die die Bausteine von Galaxien darstellen, jeweils rund eine Billion mal kleiner als die Galaxie, in der sie sich befinden. Eine inter­nationale Gruppe von Wissen­schaftlern vom Heidel­berger Institut für Theo­retische Studien ;HITS, der Durham Uni­versity, dem Max-Planck Institut für Astro­physik und dem Massa­chusetts Institute of Tech­nology hat sich diesem Problem angenommen.

Die Gruppe simulierte insgesamt 30 verschiedene Milch­straßen in hoher Auflösung, sechs davon sogar extrem hochauf­gelöst, um noch mehr Details zu berück­sichtigen. Die Simu­lationen liefen mehrere Monate lang größten­teils auf den deutschen Super­computern „Hornet“, “Hazel Hen“ in Stuttgart und dem „SuperMUC“ in Garching und nutzten insgesamt rund 18 Millionen CPU-Stunden. Für die Simu­lationen verwendeten die Wissen­schaftler den „AREPO“-Code, der von HITS-Wissen­schaftler und Gruppen­leiter Volker Springel entwickelt wurde. Der Code ermöglicht die Simulation verschiedener Galaxien mit nie da gewesener Präzi­sion und beinhaltet eines der bisher umfas­sendsten Physik­modelle auf dem Gebiet. So können mit dem „AREPO“-Code Phänomene wie Gravitation, Sternen­entstehung, Gasströme und Super­nova-Explosionen simuliert werden. Zum ersten Mal war auch die Simulation magne­tischer Felder möglich, die das inter­stellare Medium zwischen den Sternen durch­dringen. Außerdem wurden schwarze Löcher simuliert, die Gas um sich herum einsammeln und Energie in weit entfernte Teile der Galaxie hinaus­stoßen.

Die Simu­lationen ergaben eine große Fülle physika­lischer Daten und bieten hilfreiche Erkenntnisse für viele verschiedene Aspekte der Galaxien­forschung: „Die Forschungs­ergebnisse des Auriga-Projekts liefern wichtige Infor­mationen für andere Astronomen, etwa über die besonderen Eigen­schaften von Satelliten­galaxien oder die Verteilung der sehr alten Sterne im Halo,“ so HITS-Wissen­schaftler Robert Grand. „Zusätz­lich konnten wir die Entwicklung magne­tischer Felder simulieren und unter­suchen, wie diese das Gas in der Galaxie beeinflussen.“

Das Team fand zudem heraus, dass kleinere Galaxien in der frühen Entstehungs­geschichte mit der Milch­straßen-Galaxie verschmolzen sein könnten. Durch diesen Prozess kann eine größere Spiralgalaxie entstehen. „Damit eine Spiral­galaxie wachsen kann, benötigt sie eine beträcht­liche Versorgung mit Gas zur Sternen­entstehung. Kleinere, gasreiche Galaxien, die in unsere Galaxie hinein­fielen, liefern genau das,“ so Grand weiter. In einem zweiten Schritt werden die Wissen­schaftler die Forschungs­ergebnisse des Auriga-Projekts mit Beobachtungs­daten, wie denen der Gaia Mission vergleichen. Dadurch wollen sie besser verstehen, wie diese Ver­schmelzungen die Entstehung unserer und anderer Galaxien bestimmt haben.

HITS / JOL