Spiralgalaxie NGC 1300. Zum Vergrößern anklicken
Forscher haben die Kraft eines der schnellsten Supercomputer der Welt - den Erdsimulator - genutzt, um das Wachstum von Galaxien im frühen Universum zu modellieren. Das Team simulierte den Prozess von Anfang an, kurz nach dem Urknall, als sich Gasklumpen zu Sternen zusammenschlossen, die dann zu immer größeren Sammlungen verschmolzen und schließlich zu Galaxien wurden. Sie fanden heraus, dass Galaxien wie die Milchstraße jetzt wahrscheinlich dieselbe Zusammensetzung haben wie nur eine Milliarde Jahre nach dem Urknall.
Zwei Astronomen haben eine der bislang größten Astrophysik-Simulationen der Welt durchgeführt, um das Wachstum von Galaxien zu modellieren. Mit dem Supercomputer „Earth Simulator“ in Japan, der auch zur Klimamodellierung und Simulation seismischer Aktivitäten verwendet wird, haben Masao Mori von der University of California in Los Angeles und Masayuki Umemura von der University of Tsukuba berechnet, wie sich Galaxien aus nur 300 Millionen Jahren entwickelt haben nach dem Urknall bis heute. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Galaxien möglicherweise viel schneller entwickelt haben als derzeit angenommen (Nature 440 644).
Nach dem „hierarchischen“ Modell werden Galaxien durch einen Bottom-up-Prozess gebildet, der mit der Bildung kleiner Gas- und Sternklumpen beginnt, die dann zu größeren Systemen verschmelzen. Mori und Umemura simulierten diesen Prozess mithilfe eines leistungsstarken hydrodynamischen 3D-Codes in Kombination mit einem „Spektralsynthese“ -Code für ein astrophysikalisches Plasma, um die dynamische und chemische Entwicklung einer Urgalaxie zu berücksichtigen. Die Erdsimulatorsimulation wurde mit einer ultrahohen Auflösung basierend auf 1024 „Gitterpunkten“ durchgeführt, was sie zu einer der größten Berechnungen macht, die jemals in der Astrophysik durchgeführt wurden.
Mori und Masayuki stellten die Anfangsbedingungen in ihrer Simulation auf der Grundlage eines Universums aus kalter dunkler Materie auf, dessen Parameter durch Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds bestimmt werden. Diese Beobachtungen, die erstmals 2003 gemacht wurden, zeigen, dass wir in einem flachen Universum leben, das nur 4% gewöhnliche Materie, 22% dunkle Materie und 74% dunkle Energie umfasst - in Übereinstimmung mit dem Standardmodell der Kosmologie. Die Forscher verglichen ihre numerischen Ergebnisse dann direkt mit Beobachtungen primitiver Galaxien, die als Lyman-Alpha-Emitter bezeichnet werden, und „Lyman-Break“ -Galaxien, die Astronomen in den entferntesten und daher ältesten Teilen des Universums finden.
Die Ergebnisse zeigen, dass die ursprünglichen Gasblasen, die sich im frühen Universum nur 300 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben, tatsächlich wie Lyman-Alpha-Emitter aussehen. Nach etwa 1 Milliarde Jahren zeigen die Simulationen, dass diese Galaxien zu Lyman-Bruchgalaxien mutieren. Schließlich ähneln die Strukturen nach 10 Milliarden Jahren Evolution den heutigen elliptischen Galaxien.
Die Simulation sagt auch die Mischung chemischer Elemente in der Galaxie in jedem Stadium ihrer Entwicklung voraus und legt nahe, dass unsere Milchstraße heute ungefähr dieselbe Zusammensetzung hat wie damals, als sie nur 1 Milliarde Jahre alt war. Bisher wurde angenommen, dass sich Galaxien allmählich entwickelt haben und über einen Zeitraum von 10 Milliarden Jahren durch wiederholte Sternentstehung und Supernova-Explosionen an schwereren Elementen jenseits von Wasserstoff und Helium angereichert wurden.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Galaxienbildung viel schneller verlief und dass in nur 1 Milliarde Jahren eine große Menge schwerer Elemente in Galaxien produziert wurde“, sagt Mori.
Ursprüngliche Quelle: Institut für Physik
