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Investigating the mechanisms that shape galaxies in and around massive clusters

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Neue Simulationen zu Galaxienhaufen lüften den Schleier um wichtige Rätsel der Galaxienbildung

Nicht alle Galaxien sind identisch. Manche sind isoliert, manche, wie unsere Milchstraße, wachsen in Gruppen und manche sind ein Teil von Megastrukturen, die als Galaxienhaufen bezeichnet werden. Mit der erstmaligen Durchführung von Simulationen zu diesen Galaxienhaufen adressierte Dr. Yannick Bahé erfolgreich ein fehlendes Glied in der Kette des wissenschaftlichen Verständnisses für die Galaxienbildung.

Weltraum

Die moderne Astrophysik dreht sich im Wesentlichen um zwei Methoden: Beobachtung – die seit jeher den Mittelpunkt der Disziplin bildet – und theoretische Auslegungen. Diese Methoden hängen stark voneinander ab: Beobachtungen informieren Wissenschaftler über den Zustand des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt und können in Modelle und Simulationen einfließen, um den Schleier über der Entwicklung des Universums zu lüften. In manchen Fällen bleiben die verfügbaren Simulationen hinter den Erwartungen zurück. Nehmen wir zum Beispiel Galaxienhaufen – eine Ansammlung von Galaxien, die in sehr dichten Verbänden existieren. Die hochmoderne „EAGLE“-Simulation, die ideal zur detaillierten Nachbildung isolierter Galaxien geeignet ist, vermag es nicht, massereiche Galaxienhaufen zu berücksichtigen. Eine einheitliche Simulation wie beispielsweise EAGLE müsste eine zu große Datenmenge modellieren, um einen massereichen Galaxienhaufen miteinzubeziehen. Dr. Bahé, zunächst als Postdoc am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching, Deutschland, und jetzt an der Universität Leiden tätig, hat sich selbst das Ziel gesetzt, diese Schwierigkeiten zu überwinden. Im Jahr 2017 stellten er und weitere Forscher erstmals die Ergebnisse der sogenannten „Hydrangea“-Simulationen vor – ein Spin-off-Projekt auf der Grundlage von EAGLE. „Die Idee ist die sorgfältige Auswahl einer Region, in der sich ein Galaxienhaufen gebildet hat, im Rahmen einer sehr großen Simulation mit geringer Auflösung, und die anschließende Simulation ausschließlich dieser Region mit der erforderlichen hohen Auflösung. Dies ist jedoch noch immer eine rechnerische Herausforderung – die Simulation musste mit einem der größten Supercomputer in Deutschland durchgeführt werden – doch sie war ein Erfolg. Hydrangea-Simulationen haben jetzt ihren Wert als maßgeschneiderte Instrumente für die Untersuchung der Bildung und Entwicklung von Galaxienhaufen unter Beweis gestellt“, erklärt Dr. Bahé. Das Projekt ClusterGal (Investigating the mechanisms that shape galaxies in and around massive clusters) baut auf dieser neuen Reihe von Simulationen auf, um die Geheimnisse von Galaxienhaufen zu lüften. Abgesehen von den Simulationen an sich, hat Dr. Bahé spezifische Tools für deren Analyse entwickelt. Ein Beispiel für ein solches Tool ist ein Code, der detaillierte Rekonstruktionen von einzelnen Galaxienentwicklungen im Rahmen der Wechselwirkung mit anderen Galaxien des gleichen Haufens ermöglicht. „Durch diese Analyse wurden mehrere Punkte deutlich. Die Simulationen sind einerseits nicht perfekt und decken sich in manchen Aspekten nicht mit den beobachteten Messungen. Obwohl die meisten Galaxien in den Simulationen beispielsweise die erwartete Anzahl von Sternen bildeten, sind die massereichsten, zentralsten Galaxienhaufen im Vergleich zu den Messungen aus Beobachtungen um einen Faktor von circa 3 zu massereich“, sagt Dr. Bahé. Eine weitere Ungenauigkeit ist mit den Rändern des Galaxienhaufens und sogar mit den tiefer im Inneren des Haufens gelegenen Galaxien verbunden, die scheinbar entgegen der Beobachtung einer stärker unterdrückten Sternenbildung unterliegen. Das deutet möglicherweise darauf hin, dass die aktuellen Modelle zur Sternenbildung überarbeitet werden müssen oder dass fundamentale Aspekte des realen Universums in den Simulationen noch nicht erfasst werden. „Eine zentrale Erkenntnis aus dem Projekt ist, dass Galaxien in einem Haufen weitaus weniger beeinträchtigt werden als bislang angenommen wurde. Eine große Menge der dunklen Materie der Galaxie wird durch Gezeitenkräfte zerlegt, wenn diese in einen Haufen fällt (dies war bereits bekannt), doch eine erhebliche Anzahl von Sternen im Zentrum der Galaxie überlebt fast immer. Das bedeutet, zumindest in statistischer Hinsicht, dass wir bei höherer Rotverschiebung (großer Rückbetrachtungszeitraum) und im lokalen Universum beobachtete Galaxienhaufen miteinander vergleichen können, um abzuleiten, wie sich generelle Galaxienpopulationen entwickeln“, schwärmt Dr. Bahé. Die Ergebnisse von ClusterGal bestätigen grundsätzlich, dass Galaxienhaufen direkt von ihrer Umwelt beeinflusst werden. Diese Erkenntnis wird voraussichtlich zu Folgestudien führen, da Galaxienhaufen wesentliche Teile des Galaxienbildungspuzzles sind. Dr. Bahé dazu: „Galaxienhaufen sind speziell und ohne zu verstehen, wie sich diese hierzu entwickelt haben, ist unser Bild der Galaxienbildung zwangsläufig unvollständig.“ Diese Forschung wurde im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Programms gefördert.

Schlüsselbegriffe

ClusterGal, Galaxienhaufen, Galaxienbildung

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28 Dezember 2017