GALAXIEN
Einblick in die Geburt der Milchstraße
Redaktion / Pressemitteilung der Universität Zürich 
astronews.com
25. August 2011

Seit bald zwanzig Jahren versuchen Astrophysiker die Entstehung von Spiralgalaxien wie unserer Milchstraße realistisch nachzubilden. Astrophysiker der Universität Zürich stellten nun zusammen mit Astronomen der University of California in Santa Cruz die erste wirklichkeitsgetreue Simulation zur Entstehung unserer Heimatgalaxie vor. Sie lässt unter anderem darauf schließen, dass es am äußersten Rand der Milchstraße Sterne geben muss.

Oben ein Bild der simulierten Galaxie mit Gasen (rot) und Sternen (blau), unten ein entsprechendes Falschfarben-Bild der Galaxie M74. Die aus Gasen bestehenden Spiralarme sind in der simulierten und in der echten Galaxie deutlich zu erkennen. Bild: Universität Zürich [Großansicht]

 Astrophysikalische Simulationen haben zum Ziel, die Wirklichkeit unter Berücksichtigung der physikalischen Gesetze und Prozesse abzubilden. Astronomische Himmelsbeobachtungen und astrophysikalische Simulation müssen sich dabei exakt entsprechen. Ein komplexes System wie die Milchstraße und ihre Entstehung 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 in Santa Cruz, publiziert jetzt im Astrophysical Journal die erste wirklichkeitsgetreue Simulation zur Entstehung der Milchstraße. Die Simulation wurde von den Doktoranden Javiera Guedes und Simone Callegari durchgeführt, die die Daten anschließend auch analysierten.

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 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 steht eine schmale, gekrümmte Scheibe, die den astronomischen Beobachtungen an der Milchstraße in Bezug auf die Verhältnisse von Masse, Drehimpuls und Rotationsgeschwindigkeit völlig entspricht.

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 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 neuen Resultate. Für die Berechnungen kamen die Hochleistungs-Supercomputer am Swiss National Supercomputing Centre CSCS der ETHZ und der NASA Advanced Supercomputer Division zum Einsatz. Ein regulärer PC hätte für die Berechnungen 570 Jahre benötigt.

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 muss nach Ansicht der Wissenschaftler auch das Verhältnis von sogenannter "kalter Dunkler Materie" (CDM) und Standardmaterie in Spiralgalaxien korrigiert werden. Um die richtige Gesamtsternmasse im Endstadium der Galaxie zu erhalten - bislang eines der größten Probleme - 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 entdecken. 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 beispielsweise die geplante IXO-Mission von ESA und NASA, werden diese Vorhersage prüfen können. Da wird man auch wissen, ob die jetzt vorgestellte Simulation in allen Punkten so wirklichkeitsgetreu ist, wie die Astronomen hoffen.