Samstag, 27. August 2011

Forscher simulieren die Geburt der Milchstraße

Seitenansicht der simulierten Galaxie mit dem von den simulierten Sternen emittierten Licht. Die Galaxie besteht aus einer dünnen Scheibe von Sternen und einem helleren, schmalen Buckel im Zentrum. Unten: Seitenansicht der realen Milchstrasse im Infrarotspektrum, in welchem Sterne das meiste ihres Lichtes emittieren. Unser Sonnensystem liegt im inneren der Scheibe. | Copyright: Two Micron All Sky Survey Projekt (2MASS), University of Massachusetts und Infrared Processing and Analysis Center/California Institute of Technology

Zürich/ Schweiz - Seit fast zwei Jahrzehnten sind Astrophysiker darum bemüht, die Entstehung von Spiralgalaxien wie unserer Milchstraße wirklichkeitsgetreu nachzubilden. Wissenschaftlern der "Universität Zürich" ist dies nun gemeinsam mit US-amerikanischen Kollegen der "University of California at Santa Cruz" gelungen.

Da entsprechende astrophysikalische Simulationen die Wirklichkeit unter Berücksichtigung der physikalischen Gesetze und Prozesse abbilden und auch astronomische Himmelsbeobachtungen exakt entsprechen, bildet die Arbeit der Forscher den Nachweis, dass die zugrunde liegenden Theorien der Astrophysik stimmen.

"Bisherige Versuche, die Entstehung von Spiralgalaxien zu simulieren, scheiterten an einem von zwei Punkten", berichtetet die Pressemitteilung der Universität: "Entweder wiesen die simulierten Spiralgalaxien im Zentrum zu viele Sterne auf oder aber die gesamte Sternmasse war um ein Vielfaches zu groß."

Eine Forschungsgruppe unter der gemeinsamen Leitung von Lucio Mayer, Astrophysiker an der "Universität Zürich" (uzh.ch), und Piero Madau, Astronom an der "University of California at Santa Cruz", hat ihre Simulationsergebnisse Im Fachmagazin "Astrophysical Journal" veröffentlicht.

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Für ihre Arbeit entwickelten die Wissenschaftler eine höchst komplexe Simulation, bei der sich eine der Milchstrasse ähnliche Spiralgalaxie ohne weiteres Zutun aus sich selbst entwickelt. "Die Simulation - wegen der jahrzehntelangen Debatten um die Entstehung von Spiralgalaxien nach Eris, der griechischen Göttin der Zwietracht, benannt - gestattet im Zeitraffer einen Einblick in nahezu die gesamte Entstehungsgeschichte einer Spiralgalaxie."

Ihren Anfang nimmt sie weniger als eine Million Jahre nach dem Urknall. "Unser Resultat beweist, dass sich auf Basis der Grundprinzipien des kalte-Dunkle-Materie-Paradigmas und der physikalischen Gesetze von Gravitation, Fluiddynamik und Strahlenphysik eine wirklichkeitsgetreue Spiralgalaxie bilden lässt", erläutert Mayer die Simulation.

Ein Bild der simulierten Galaxie mit Gasen (rot) und Sternen (blau). Rechts: Ein Falschfarben-Bild der Galaxie "M74", Gase (rot) und Sterne (blau). Die aus Gasen bestehenden Spiralarme sind in der simulierten und in der echten Galaxie deutlich zu erkennen. | Copyright: uzh.ch

"Die Simulation zeigt weiter, dass in einem Gebilde, welches sich zu einer Spiralgalaxie entwickeln soll, die Sterne in den Bereichen mit riesigen aufgelösten Gaswolkenkomplexen entstehen müssen. In diesen kalten molekularen Riesenwolken weisen die Gase extrem hohe Dichten auf. Die Sternbildung und Verteilung erfolgt dort nicht gleichmäßig, sondern klumpig und in Haufen. Dies wiederum führt zu einer wesentlich größeren Erhitzung durch lokale Supernova-Explosionen. Durch diese massive Erhitzung wird unter hoher Rotverschiebung sichtbare Standardmaterie ausgeschleudert. Dies verhindert die Bildung einer gewölbten Scheibe im Zentrum der Galaxie. Das Ausschleudern von baryonischer Materie, wie die sichtbare Standardmaterie auch genannt wird, reduziert zudem die Gesamtmasse an vorhandenem Gas im Zentrum. Dies führt dazu, dass die richtige Sternmasse gebildet wird, wie sie auch in der Milchstrasse zu beobachten ist. Am Ende der Simulation resultiert eine schmale, gekrümmte Scheibe, die den astronomischen Beobachtungen an der Milchstrasse in Bezug auf die Verhältnisse von Masse, Drehimpuls und Rotationsgeschwindigkeit völlig entspricht."

Die neue Simulation bestätigt die bereits von Mayer publizierten Resultate zur Entstehung von scheibenförmigen Zwerggalaxien und zeigt, dass das Modell - im Gegensatz zu allen bisherigen Ansätzen - sowohl kleine als auch sehr große Galaxien wirklichkeitsgetreu abbilden kann. Weiter könne aus der Simulation abgeleitet werden, dass Protogalaxien mit einer großen, aus Gasen und Sternen bestehenden Scheibe im Zentrum bereits eine Milliarde Jahre nach dem Urknall und damit lange vor der Bildung unserer heutigen Galaxien entstanden sind.

"Aufgrund der Simulation ist auch das Verhältnis von 'kalter-Dunkler-Materie' (CDM) und Standardmaterie in Spiralgalaxien zu korrigieren. Um die richtige Gesamtsternmasse im Endstadium der Galaxie zu erhalten - bis anhin jeweils eine der größten Schwierigkeiten - ist es zwingend, dass Standardmaterie durch Supernova-Winde aus dem Zentrum ausgeschleudert wird. Am äußersten Rand des CDM-Rings einer Spiralgalaxie ist anhand der Simulation zu erwarten, dass das Verhältnis Standardmaterie zu CDM nicht wie bisher angenommen 1:6, sondern 1:9 beträgt."

Die Simulation sagt zudem für den sechshunderttausend Lichtjahre entfernten äußersten Halo der Milchstrasse Sterne und Gase voraus. Erst die nächste Generation an Raumsonden und Teleskopen wird in der Lage sein, diese nur sehr schwach leuchtenden Sterne zu entdecken. Weiter macht die Simulation Voraussagen in Bezug auf die radiale Verteilung von heißen Gasen um die zentrale Scheibe der Galaxie. Zukünftige Teleskope, die Röntgenstrahlen messen können, wie sie z.B. die "IXO"-Mission der europäischen Raumfahrtagentur "ESA" plant, werden diese Vorhersage prüfen.

Quellen: uzh.ch / grenzwissenschaft-aktuell.de
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