Hochaufgelöste Simulationen liefern neue Einblicke in die Entstehung von Galaxien

Mit Supercomputern können Astronomen die Entstehung von Galaxien vom Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren bis heute simulieren. Es gibt jedoch eine Reihe von Fehlerquellen. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Forschern in Lund hat über acht Jahre hinweg hundert Millionen Computerstunden damit verbracht, diese zu korrigieren.

Im letzten Jahrzehnt gab es große Fortschritte bei Computersimulationen, mit denen sich die Entstehung von Galaxien realistisch berechnen lässt. Diese kosmologischen Simulationen sind entscheidend für unser Verständnis der Herkunft von Galaxien, Sternen und Planeten. Die Vorhersagen solcher Modelle werden jedoch durch Einschränkungen in der Auflösung der Simulationen sowie durch Annahmen über eine Reihe von Faktoren beeinflusst, etwa darüber, wie Sterne leben und sterben und wie sich das interstellare Medium entwickelt.

Um die Fehlerquellen zu minimieren und genauere Simulationen zu erstellen, haben 160 Forscher aus 60 Hochschuleinrichtungen – angeführt von Santi Roca-Fàbrega an der Universität Lund, Ji-hoon Kim an der Seoul National University und Joel R. Primack an der University of California – dies getan haben zusammengearbeitet und präsentieren nun die Ergebnisse des größten jemals durchgeführten Simulationsvergleichs.

„Um Fortschritte auf dem Weg zu einer Theorie der Galaxienentstehung zu machen, ist es entscheidend, Ergebnisse und Codes aus verschiedenen Simulationen zu vergleichen. Dies ist uns nun gelungen, indem wir konkurrierende Codegruppen hinter den weltbesten Galaxiensimulatoren in einer Art Supervergleich zusammengebracht haben“, sagt Santi Roca -Fàbrega, ein Forscher in der Astrophysik.

Drei Arbeiten aus dieser Zusammenarbeit, bekannt als CosmoRun-Simulationen, wurden zur Veröffentlichung angenommen Das Astrophysikalische Journal; alle sind auf der verfügbar arXiv Preprint-Server. Darin haben die Forscher die Entstehung einer Galaxie mit der gleichen Masse wie die Milchstraße analysiert. Die Simulation basiert auf denselben astrophysikalischen Annahmen über die ultraviolette Hintergrundstrahlung, die von den ersten Sternen im Universum erzeugt wurde, die Gaskühlung und -erwärmung sowie den Prozess der Sternentstehung.

Die neuen Ergebnisse lassen die Forscher den Schluss zu, dass sich Scheibengalaxien wie die Milchstraße sehr früh in der Geschichte des Universums gebildet haben, was mit Beobachtungen des James Webb-Teleskops übereinstimmt. Sie haben auch einen Weg gefunden, die Anzahl der Satellitengalaxien – Galaxien, die größere Galaxien umkreisen – mit Beobachtungen in Einklang zu bringen und damit schließlich ein in der Community wohlbekanntes Problem zu lösen, das als „Problem der fehlenden Satelliten“ bekannt ist.

Darüber hinaus hat das Team herausgefunden, dass das Gas, das Galaxien umgibt, der Schlüssel zu realistischen Simulationen ist und nicht die Anzahl und Verteilung der Sterne, die bisher der Standard waren.

„Die Arbeit läuft seit acht Jahren und umfasste die Durchführung Hunderter Simulationen und die Nutzung von Supercomputing-Einrichtungen von hundert Millionen Stunden“, sagt Santi Roca-Fàbrega.

Jetzt geht die Reise weiter, um die Simulationen der Galaxienentstehung weiter zu verfeinern. Mit jeder technologischen Errungenschaft hoffen Santi Roca-Fàbrega und seine Kollegen, dem schwindelerregenden Puzzle der Geburt und Entwicklung des Universums und der Galaxien neue Teile hinzuzufügen.

„Dies ist der Beginn zuverlässigerer Simulationen der Galaxienentstehung, die uns wiederum helfen werden, unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, besser zu verstehen“, sagt Santi Roca-Fàbrega.