Die Frage, wie sich Galaxien bilden, war lange Zeit allein auf der Grundlage theoretischer Spekulationen zu beantworten. Mittlerweile aber stehen Astrophysikern Computersysteme zur Verfügung, die reichlich exakt simulieren können, was dort draußen im Kosmos vor sich geht und in der Vergangenheit passierte. Eine der umfangreichsten Simulationen hat nun ein deutsch-amerikanisches Team vorgestellt: TNG50 ist sogar die bisher detailreichste kosmologische Großsimulation, was die Bildung von Galaxien betrifft. Das Modell ermöglicht es Forschern im Detail zu untersuchen, wie Galaxien entstehen und wie sie sich von der Zeit kurz nach dem Urknall bis heute entwickelt haben.

Astronomen, die kosmologische Simulationen durchführen, müssen sich üblicherweise entscheiden: Aufgrund von Grenzen der verfügbaren Rechenleistung konnten typische Simulationen bisher entweder sehr detailgetreu simulieren oder ein großes Volumen an virtuellem Raum umfassen, aber nicht beides. Detaillierte Simulationen mit stark begrenztem Volumen können nicht mehr als ein paar Galaxien modellieren, was statistische Rückschlüsse erschwert.

Großräumig und detailliert zugleich

Großräumigen Simulationen wiederum fehlen typischerweise die notwendigen Details, um wichtige Eigenschaften auf kleineren Skalen zu erklären, die wir in unserem eigenen Universum beobachten – was ihre Vorhersagekraft deutlich reduziert. Der nun veröffentlichten TNG50-Simulation gelingt es erstmals, eine großräumige kosmologische Simulation mit der Detail-Auflösung von "hineingezoomten"-Simulationen zu verbinden, wie sie bislang nur für Untersuchungen einzelner Galaxien möglich waren.

In einem simulierten würfelförmigen Ausschnitt des Weltalls mit Seitenlängen von 230 Millionen Lichtjahren kann TNG50 physikalische Phänomene darstellen, die auf einer Million mal kleineren Skalen auftreten und so die gleichzeitige Entwicklung Tausender von Galaxien über 13,8 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte hinweg verfolgen. Die Bausteine der Simulation sind dabei 20 Milliarden "Teilchen", die dunkle Materie, Sterne, kosmisches Gas, Magnetfelder und supermassereiche Schwarze Löcher darstellen.

Umgerechnet fünfzehntausend Jahre Rechenzeit

Die Berechnung selbst erforderte 16.000 Computerkerne auf dem Supercomputer Hazel Hen in Stuttgart, die mehr als ein Jahr lang rund um die Uhr am Rechnen waren – das entspricht fünfzehntausend Jahren Rechenzeit auf einem einzigen Prozessor. TNG50 ist damit eine der anspruchsvollsten astrophysikalischen Simulationen überhaupt.

Zu den ersten wissenschaftlichen Ergebnissen von TNG50, die jetzt in zwei Fachartikeln in den "Monthly Notices der Royal Astronomical Society" von einem Team unter der Leitung von Annalisa Pillepich (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg) und Dylan Nelson (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching) veröffentlicht wurden, zählen auch einige durchaus unerwartete Phänomene.

"Numerische Experimente dieser Art sind besonders erfolgreich, wenn mehr herauskommt, als man hineingesteckt hat. In unserer Simulation sehen wir Phänomene, die wir nicht explizit vorprogrammiert hatten. Diese Phänomene ergeben sich auf natürliche Weise aus dem Zusammenspiel der grundlegenden physikalischen Bestandteile unseres Modelluniversums.", erklärt Nelson.

Galaktisches Karussell

TNG50 liefert zwei eindrückliche Beispiele für diese Art von "emergentem" Verhalten. Im ersten Beispiel geht es um die Entstehung von Scheibengalaxien wie unserer eigenen Milchstraße. Mit TNG50 als Zeitmaschine konnten die Forscher die kosmische Geschichte zurückspulen und sich dann systematisch ansehen, wie die schnell rotierenden Scheibengalaxien mit ihren geordneten Sternbewegungen (die in unserer kosmischen Umgebung recht häufig sind) aus den chaotischen, ungeordneten und hoch turbulenten Gaswolken früherer Epochen hervorgehen. Nach und nach kommt das Gas dabei zur Ruhe und Sterne, die aus diesem Gas entstehen, finden sich damit immer häufiger auf Kreisbahnen und bilden schließlich eine große Spiralgalaxie als eine Art galaktisches Karussell.

"TNG50 zeigt, dass sich unsere eigene Milchstraßengalaxie mit ihrer dünnen Scheibe voll im Trend befindet: In den letzten 10 Milliarden Jahren sind zumindest diejenigen Galaxien, in denen noch neue Sterne entstehen, immer scheibenartiger geworden, und ihre chaotischen inneren Bewegungsmuster haben sich deutlich abgeschwächt", sagt Pillepich. "Das Universum war viel chaotischer als heute, als es nur ein paar Milliarden Jahre alt war."

Gasströme in Form von Eistüten

Und noch ein weiteres emergentes Phänomen haben die Astronomen bei der simulierten Evolution ihrer Galaxien ausgemacht: Gas und Teilchenwinde, die mit hoher Geschwindigkeit aus den Galaxien ausströmen. Hervorgerufen wird dieses Phänomen durch Supernova-Explosionen und durch die Aktivität der supermassereichen Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien. Das Gas verlässt die Galaxie dabei zunächst in beliebige Richtungen – eine durchaus chaotische Situation.

Aber mit der Zeit, und das wurde nicht von vornherein einprogrammiert, spielen sich die Gasströmungen auf einen Weg des geringsten Widerstands ein. Im späten Universum strömt das Gas dann typischerweise in zwei entgegengesetzte Richtungen innerhalb von kegelförmigen Regionen aus, die wie zwei Eistüten aussehen, Spitze an Spitze positioniert, mit der Galaxie in der Mitte. Solche Strukturen findet man auch in den astronomischen Beobachtungsdaten.

Galaktische Fontänen

Unter dem Schwerkraft-Einfluss des Halos an Dunkler Materie, in dem sich die Galaxie befindet, werden diese Winde dann immer langsamer. Wie das Wasser einer Fontäne können sie auf die Ursprungsgalaxie zurückfallen und sie mit recyceltem Gas versorgen. Dieser Prozess sorgt außerdem für eine Umverteilung des Gases vom Zentrum einer Galaxie in ihre Außenbezirke, und beschleunigt damit die Umwandlung der Galaxie in eine dünne Scheibe: galaktische Strukturen bringen galaktische Fontänen hervor und umgekehrt. (red, 17.11.2019)