Kollidierende Galaxien simuliert

Eine Supercomputersimulation der Gravitationswechselwirkung zwischen kollidierenden Galaxien. klicken um zu vergrößern
Wie viele Unternehmen wachsen Galaxien durch Fusionen und Übernahmen. Ein internationales Forscherteam hat eine neue Simulation erstellt, die zeigt, wie kollidierende Galaxien durch eine Materialbrücke verbunden sind und enorme Staub- und Schmutzschwänze ausspucken. Neue Programmier- und Hardware-Upgrades haben diese Art der Simulation ermöglicht.

Eine wispige Ansammlung von Atomen und Molekülen treibt die riesigen kosmischen Strudel an, die durch Kollision von Galaxien und Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher erzeugt werden. Dies geht aus einigen der fortschrittlichsten Supercomputersimulationen hervor, die jemals zu diesem Thema durchgeführt wurden.

"Wir haben festgestellt, dass Gas für die Koevolution von Galaxien und supermassiven Schwarzen Löchern von entscheidender Bedeutung ist", sagte Stelios Kazantzidis, Fellow am Kavli-Institut für kosmologische Physik der Universität von Chicago. Er und seine Mitarbeiter veröffentlichten ihre Ergebnisse im Februar auf astro-ph, einem Online-Repository für astronomische Forschungsarbeiten. Sie bereiten auch eine weitere Studie vor.

Die Zusammenarbeit umfasst Lucio Mayer von der Eidgenössischen Technischen Hochschule, Zürich, Schweiz; Monica Colpi, Universität Mailand-Bicocca, Italien; Piero Madau, Universität von Kalifornien, Santa Cruz; Thomas Quinn, Universität von Washington; und James Wadsley, McMaster University, Kanada. "Diese Art von Arbeit wurde erst kürzlich dank der gesteigerten Leistung von Supercomputern möglich", sagte Mayer. Verbesserungen bei der Entwicklung von Computercode, der die relevante Physik beschreibt, halfen ebenfalls, sagte er.

"Die Kombination aus Code- und Hardwareverbesserung ermöglicht es, in wenigen Monaten zu simulieren, was vor vier bis fünf Jahren mehrere Jahre Rechenzeit gekostet hatte."

Die Ergebnisse sind eine gute Nachricht für die von der NASA vorgeschlagene LISA-Mission (Laser Interferometer Space Antenna). Das Hauptziel von LISA ist der Start des frühen Universums nach Gravitationswellen. Diese Wellen, die niemals direkt erfasst werden, werden in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt.

"Zu sehr frühen Zeiten im Universum gab es viel Gas in den Galaxien, und als sich das Universum entwickelte, wurde das Gas in Sterne umgewandelt", sagte Kazantzidis. Und große Mengen an Gas bedeuten mehr kollidierende Galaxien und die Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher. „Dies ist wichtig, da LISA Gravitationswellen erfasst. Und die stärkste Quelle für Gravitationswellen im Universum wird die Kollision von supermassiven Schwarzen Löchern sein “, sagte er.

Viele Galaxien, einschließlich der Milchstraße, die die Sonne enthält, beherbergen in ihrem Zentrum supermassereiche Schwarze Löcher. Diese schwarzen Löcher sind so gravitativ stark, dass nichts, einschließlich Licht, ihrem Zugriff entgehen kann.

Heute bewegt sich die Milchstraße ruhig durch den Weltraum, aber eines Tages wird sie mit ihrem nächsten Nachbarn, der Andromeda-Galaxie, kollidieren. Trotzdem diente die Milchstraße als praktisches Modell für die Galaxien bei der Verschmelzung supermassiver Schwarzlochsimulationen. Das Team von Kazantzidis simulierte die Kollisionen von 25 Galaxienpaaren, um die Schlüsselfaktoren zu identifizieren, die zu supermassiven Fusionen von Schwarzen Löchern führen.

Damit diese Fusionen stattfinden können, müssen die Wirtsgalaxien zuerst fusionieren. Je nach Struktur der Galaxien können zwei gasarme Galaxien verschmelzen oder nicht. Aber wann immer gasreiche Galaxien in den Simulationen kollidieren, folgten typischerweise supermassive Schwarzlochfusionen.

"Je mehr supermassereiche Schwarze Löcher, die Sie vorhersagen, verschmelzen, desto mehr Quellen kann LISA erkennen", sagte Kazantzidis. Wenn zwei Galaxien zu kollidieren beginnen, verliert das darin enthaltene Gas Energie und Trichter in ihre jeweiligen Kerne. Dieser Prozess erhöht die Dichte und Stabilität der galaktischen Kerne. Wenn diese Kerne verschmelzen, verschmelzen auch die supermassiven Schwarzen Löcher, die sie beherbergen. Wenn diese Kerne zerstört werden, verschmelzen ihre supermassiven Schwarzen Löcher nicht.

Jede von Kazantzidis durchgeführte Simulation benötigte ungefähr einen Monat Supercomputing-Zeit an der Universität Zürich, dem kanadischen Institut für Theoretische Astrophysik oder dem Pittsburgh Supercomputing Center.

Die Simulationen sind die ersten, die gleichzeitig physikalische Phänomene über sehr unterschiedliche Zeit- und Raumskalen hinweg verfolgen. "Der Computer kann den größten Teil seiner Leistung auf den Bereich des Systems konzentrieren, wenn viele Dinge geschehen und schneller als anderswo", sagte Mayer.

Wenn Galaxien kollidieren, fliegen die darin enthaltenen Milliarden Sterne in großer Entfernung aneinander vorbei. Ihre umgebenden Schwerefelder interagieren jedoch und betätigen die kosmischen Bremsen auf die jeweiligen Reisen der beiden Galaxien. Die Galaxien trennen sich, aber sie kommen seit einer Milliarde Jahren immer wieder zusammen. Bei jedem Schritt des Prozesses verlieren die Galaxien an Geschwindigkeit und Energie.

"Sie kommen näher und näher und näher bis zum Ende, wenn sie verschmelzen", sagte Kazantzidis. Die Simulationen haben Effekte hervorgebracht, die Astronomen bei teleskopischen Beobachtungen kollidierender Galaxien beobachtet haben. Am bemerkenswertesten unter diesen ist die Bildung von Gezeitenschwänzen, einem Strom von Sternen und Gas, der während der Kollision von den starken Gezeitenkräften ausgestoßen wird.

In kleinerem Maßstab beobachten Astronomen auch, dass kollidierende Galaxien eine erhöhte Kernaktivität aufweisen, was durch hellere Kerne und eine erhöhte Sternentstehung angezeigt wird.

Trotz des Erfolgs der Simulationen arbeiten Kazantzidis und sein Team immer noch daran, ihre Ergebnisse zu verbessern. "Es ist jeden Tag ein Kampf, die Genauigkeit der Berechnung zu erhöhen", sagte er.

Ursprüngliche Quelle: University of Chicago

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