Werkzeuge zur Erfassung der Entwicklung von Galaxienverschmelzungen

Neue Methoden und Werkzeuge zur Gewinnung von Daten aus so genannten „Hüllengalaxien“ könnten ein neues Licht auf die Entwicklung des Universums selbst werfen.

Weltraum

Galaxien sind die größten gravitativ gebundenen Objekte im Universum – enorme Inseln mit bis zu Hunderten von Milliarden Sternen, die von riesigen Gas- und Staubwolken und wahrscheinlich einer noch größeren Masse an dunkler Materie begleitet werden. Galaxien weisen in Bezug auf Größe, Form, Sternpopulation und innere Struktur ein breites Spektrum an Eigenschaften auf. „Es drängt sich die Frage nach dem Zustandekommen des jetzigen Zustands dieser Galaxien auf“, sagt GalaxyMergers(öffnet in neuem Fenster) –Projektstipendiatin Ivana Ebrova vom Institut für Physik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften(öffnet in neuem Fenster). „Es hat sich herausgestellt, dass die Entwicklung von Galaxien über den Großteil der Geschichte des Universums stattgefunden hat. Für das Verständnis der heutigen Galaxien gilt somit, dass das Wissen um die individuelle Geschichte und die Geschichte des Universums als Ganzes erforderlich ist.“

Den Prozess der Galaxienverschmelzung verstehen

Mit Unterstützung durch das Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmenprogramm(öffnet in neuem Fenster) wollte Ebrova ein besseres Verständnis über den Prozess der Galaxienverschmelzung als entscheidendes Element der kosmischen Entwicklung erlangen. Galaxienverschmelzungen sind langsame Prozesse, die sich über Millionen von Jahren ereignen. Informationen über die Verschmelzungsgeschichte müssen daher indirekt aus der Gegenwart abgeleitet werden. „Glücklicherweise weist ein bedeutender Teil der elliptischen und (linsenförmigen) Spindelgalaxien eine einzigartige Art von Feinstruktur auf, die als stellare Hülle bekannt ist“, fügt Ebrova hinzu. „Diese entsteht bei Verschmelzungen und könnte zur Datierung der letzten bedeutenden Galaxienverschmelzung verwendet werden.“

Erkennung, Messung und Modellierung von stellaren Hüllen

Im Rahmen des GalaxyMergers-Projekts baute Ebrova auf bestehenden Methoden auf, um solche Informationen aus einzelnen Galaxien zu gewinnen. „Das Ziel des Projekts war es, die Anwendbarkeit dieser Methoden auf weitaus größere Proben auszuweiten“, erklärt sie. „Zu diesem Zweck haben wir neue Werkzeuge entwickelt, um Hüllengalaxien auf Bildern großer Himmelsdurchmusterungen zu identifizieren und zu analysieren, so dass die Schätzungen der Verschmelzungszeiten automatisch ermittelt werden können.“ Es wurden Visualisierungswerkzeuge entwickelt, die eine schnelle Sichtprüfung von Galaxien ermöglichen, indem zusammengesetzte Bilder mit mehreren Skalen erzeugt werden. Dies vereinfacht gleichermaßen die Identifizierung von Hüllen im inneren und äußeren Teil der Galaxie. Ein zur Modellierung der Hüllenentwicklung entwickelter Algorithmus wurde anhand von Hüllengalaxien aus kosmologischen Simulationen validiert. Diese Werkzeuge – für die Erkennung und Messung von Hüllen, die Bestimmung des Gravitationspotenzials der Wirtsgalaxie und die Modellierung der Hüllenentwicklung – wurden inzwischen als freie und quelloffene Software veröffentlicht(öffnet in neuem Fenster).

Hüllengalaxien als Bezugspunkte

Das GalaxyMergers-Projekt hat dazu beigetragen, Hüllengalaxien von einem Objekt der Neugier in einen nützlichen Bezugspunkt zu verwandeln. In bestehenden Durchmusterungen sind Daten von Hunderten von Hüllengalaxien zu finden, und mit dem Start des LSST-Projekts (Large Survey of Space and Time) des Vera-C.-Rubin-Observatoriums wird diese Zahl vermutlich auf Tausende von Galaxien steigen. „Vor dem Projekt nutzte die Wissenschaft verschiedene Einzweck-Werkzeuge, die einen enormen Aufwand an Eingaben und manueller Datenverwaltung erforderten“, so Ebrova. „Unser integrierter Werkzeugkasten ermöglicht einen schnellen und effizienten Arbeitsablauf. Diese Automatisierung wird erforderlich sein, um die riesigen Datenmengen verarbeiten zu können, die in Kürze aus dem LSST-Projekt hervorgehen werden.“ Im Rahmen des Projekts wurden zudem Kataloge für verarbeitete Daten erstellt und zur Verfügung gestellt. „Wir haben zum Beispiel eine Pilotprobe von elf Spindelgalaxien mit Hülle – eine spezielle Klasse von Galaxien, die aus Sicht der Sternentwicklung von besonderem Interesse ist – zusammengestellt und unser Datierungsverfahren für Verschmelzungen auf sie angewandt“, erklärt Ebrova. „Dies ist ein erstes Beispiel für das Wirkungspotenzial dieses Projekts.“