Erstmals Einblick in die Geburt der Milchstrasse

Jetzt präsentieren Astrophysiker der Universität Zürich zusammen mit Astronomen der University of California at Santa Cruz die weltweit erste wirklichkeitsgetreue Simulation zur Entstehung unserer Heimatgalaxie. Die neuen Resultate wurden teilweise auf dem Rechner des Swiss National Supercomputing Centres CSCS berechnet und zeigen beispielsweise, dass es am äussersten Rand der Milchstrasse Sterne geben muss.

Astrophysikalische Simulationen haben zum Ziel, die Wirklichkeit unter Berücksichtigung der physikalischen Gesetze und Prozesse abzubilden. Astronomische Himmelsbeobachtungen und astrophysikalische Simulation müssen sich exakt entsprechen. Ein komplexes System wie z.B. die Entstehung der Milchstrasse wirklichkeitsgetreu simulieren zu können, bildet den letzten Nachweis, dass die zugrunde liegenden Theorien der Astrophysik stimmen. Alle bisherigen Versuche, die Entstehung von Spiralgalaxien wie die Milchstrasse zu simulieren, scheiterten an einem von zwei Punkten: Entweder wiesen die simulierten Spiralgalaxien im Zentrum zu viele Sterne auf oder aber die gesamte Sternmasse war um ein Vielfaches zu gross.

Eine Forschungsgruppe unter der gemeinsamen Leitung von Lucio Mayer, Astrophysiker an der Universität Zürich, und Piero Madau, Astronom an der University of California at Santa Cruz, publiziert jetzt im «Astrophysical Journal» die erste wirklichkeitsgetreue Simulation zur Entstehung der Milchstrasse. Javiera Guedes und Simone Callegari, die in Santa Cruz bzw. an der UZH promovieren, führten die Simulation aus und analysierten die Daten. Guedes wird in Zürich ab Herbst als Postdoc an der Entstehung von Galaxien arbeiten.

Ausschleudern von Standardmaterie zentral für Bildung von Spiralgalaxie

Für ihre Arbeit entwickelten die Wissenschaftler eine höchst komplexe Simulation, bei der sich eine der Milchstrasse ähnliche Spiralgalaxie ohne weiteres Zutun aus sich selbst entwickelt. Die Simulation – wegen der jahrzehntelangen Debatten um die Entstehung von Spiralgalaxien nach Eris, der griechischen Göttin der Zwietracht, benannt – gestattet im Zeitraffer einen Einblick in nahezu die gesamte Entstehungsgeschichte einer Spiralgalaxie. Ihren Anfang nimmt sie weniger als eine Million Jahre nach dem Urknall. «Unser Resultat beweist, dass sich auf Basis der Grundprinzipien des kalte-Dunkle-Materie-Paradigmas und der physikalischen Gesetze von Gravitation, Fluiddynamik und Strahlenphysik eine wirklichkeitsgetreue Spiralgalaxie bilden lässt», erläutert Mayer die Simulation.

Die Simulation zeigt weiter, dass in einem Gebilde, welches sich zu einer Spiralgalaxie entwickeln soll, die Sterne in den Bereichen mit riesigen aufgelösten Gaswolkenkomplexen entstehen müssen. In diesen kalten molekularen Riesenwolken weisen die Gase extrem hohe Dichten auf. Die Sternbildung und Verteilung erfolgt dort nicht gleichmässig, sondern klumpig und in Haufen. Dies wiederum führt zu einer wesentlich grösseren Erhitzung durch lokale Supernova-Explosionen. Durch diese massive Erhitzung wird unter hoher Rotverschiebung sichtbare Standardmaterie ausgeschleudert. Dies verhindert die Bildung einer gewölbten Scheibe im Zentrum der Galaxie. Das Ausschleudern von baryonischer Materie, wie die sichtbare Standardmaterie auch genannt wird, reduziert zudem die Gesamtmasse an vorhandenem Gas im Zentrum. Dies führt dazu, dass die richtige Sternmasse gebildet wird, wie sie auch in der Milchstrasse zu beobachten ist. Am Ende der Simulation resultiert eine schmale, gekrümmte Scheibe, die den astronomischen Beobachtungen an der Milchstrasse in Bezug auf die Verhältnisse von Masse, Drehimpuls und Rotationsgeschwindigkeit völlig entspricht.

Astronomische Rechnerleistung

Für die Berechnungen wurde das Modell weiterentwickelt, welches Mayer und Kollegen im Zusammenhang mit der Simulation der Entstehung scheibenförmiger Zwerggalaxien erarbeitet und 2010 im Wissenschaftsmagazin «Nature» publiziert hatten. Das hoch auflösende Modell simuliert die Entstehung einer Galaxie mit 790 Milliarden Sonnenmassen und umfasst 18.6 Millionen Partikel, aus denen sich Gase, Dunkle Materie und Sterne bilden. Die hohe Auflösung der numerischen Simulationen bildet die Voraussetzung für die bahnbrechenden neuen Erkenntnisse. Für die Berechnungen kamen die Hochleistungs-Supercomputer Cray XT5 «Monte Rosa» am Swiss National Supercomputing Centre CSCS der ETHZ und Pleiades der NASA Advanced Supercomputer Division zum Einsatz. Ein regulärer PC hätte für die Berechnungen 570 Jahre benötigt.

Sterne und Gase am äussersten Rand der Galaxie, heisse Gase im Zentrum

Die neue Simulation bestätigt die von Mayer publizierten Resultate zur Entstehung von scheibenförmigen Zwerggalaxien und zeigt, dass das Modell – im Gegensatz zu allen bisherigen Ansätzen – sowohl kleine als auch sehr grosse Galaxien wirklichkeitsgetreu abbilden kann. Weiter kann aus der Simulation abgeleitet werden, dass Protogalaxien mit einer grossen, aus Gasen und Sternen bestehende Scheibe im Zentrum bereits eine Milliarde Jahre nach dem Urknall und damit lange vor der Bildung unserer heutigen Galaxien entstanden sind.

Aufgrund der Simulation ist auch das Verhältnis von «kalter-Dunkler-Materie» (CDM) und Standardmaterie in Spiralgalaxien zu korrigieren. Um die richtige Gesamtsternmasse im Endstadium der Galaxie zu erhalten – bis anhin jeweils eine der grössten Schwierigkeiten – ist es zwingend, dass Standardmaterie durch Supernova-Winde aus dem Zentrum ausgeschleudert wird. Am äussersten Rand des CDM-Rings einer Spiralgalaxie ist anhand der Simulation zu erwarten, dass das Verhältnis Standardmaterie zu CDM nicht wie bisher angenommen 1:6, sondern 1:9 beträgt.

Die Simulation sagt zudem für den sechshunderttausend Lichtjahre entfernten äussersten Halo der Milchstrasse Sterne und Gase voraus. Erst die nächste Generation an Raumsonden und Teleskopen wird in der Lage sein, diese nur sehr schwach leuchtenden Sterne zu detektieren. Weiter macht die Simulation Voraussagen in Bezug auf die radiale Verteilung von heissen Gasen um die zentrale Scheibe der Galaxie. Zukünftige Teleskope, die Röntgenstrahlen messen können, wie sie z.B. die IXO-Mission der European Space Agency ESA plant, werden diese Vorhersage prüfen.

Literatur:
Javiera Guedes, Simone Callegari, Piero Madau, Lucio Mayer, Forming Realistic Late-Type Spirals in A CDM Universe: The Eris Simulation, IN: The Astrophysical Journal
Kontakte:
Prof. Lucio Mayer
Universität Zürich
Institut für Theoretische Physik,
Tel. +41 44 635 61 97
E-Mail: lmayer@physik.uzh.ch
Dr. Michele De Lorenzi
Swiss National Supercomputer Centre
Tel. +41 91 610 82 08
Mobile +41 79 623 25 83
E-Mail: delorenzi@cscs.ch