Ein internationales Team unter Beteiligung von Sylvia Ploeckinger von der Universität Wien entwickelte mit COLIBRE eine neue Sammlung kosmologischer Simulationen: Die virtuellen Universen bieten das bisher realistischste Bild der Galaxienentstehung und -entwicklung seit nahezu Anbeginn der Zeit. Die Ergebnisse zeigen, dass das Standardmodell der Kosmologie das beobachtete Wachstum von Galaxien erfolgreich erklären kann, wenn kaltes Gas und kosmischer Staub mit einbezogen werden. Interessierte können die Simulationen auch online über Visualisierungen, Klänge und interaktive Karten erkunden. Die Projektergebnisse wurden im Journal "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" veröffentlicht.
Als das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) vor etwa vier Jahren seinen Betrieb aufnahm, schien das kosmologische Standardmodell schon nach kurzer Zeit zu wanken: Die Beobachtungen wichen in einzelnen Punkten zu stark von damaligen Modellen und Simulationen ab; manche vermuteten neue Teilchen oder Gesetzmäßigkeiten. Ein internationales Team, geleitet von Joop Schaye an der Universität Leiden, konnte nun jedoch mithilfe einer neuen Sammlung kosmologischer Simulationen zeigen, dass das so genannte LCDM-Standardmodell (Lambda-Cold-Dark-Matter) weiterhin gültig ist, wenn kaltes Gas, kosmischer Staub und der Einfluss von Sternen und Schwarzen Löchern in den Modellen berücksichtigt werden.
"Im Gegensatz zu früheren Simulationen kann COLIBRE das kalte Gas und den kosmischen Staub innerhalb von Galaxien modellieren", erklärt Sylvia Ploeckinger vom Institut für Astrophysik der Universität Wien. "Gas und Staub sind die Rohmaterialien für die Stern-Entstehung und beeinflussen zudem stark, wie Galaxien in Teleskopen erscheinen." Durch die Einbeziehung dieser zuvor fehlenden Komponenten und mithilfe deutlich höherer Rechenleistung bildet COLIBRE reale Galaxien erfolgreich nach, wie sie sowohl heute als auch im frühen Universum vom James-Webb-Teleskop beobachtet werden.
Digitale kalte Gas- und Staubkörner
Die COLIBRE-Sammlung betritt dabei in mehrfacher Hinsicht Neuland. In früheren Simulationen war es nicht möglich darzustellen, dass Gas innerhalb von Galaxien unter etwa 10.000 Grad – heißer als die Oberfläche der Sonne – abkühlte, weil die Modellierung kälteren Gases zu komplex war. Beobachtungen zeigen jedoch, dass Sterne in deutlich kälterem Gas entstehen. COLIBRE beinhaltet nun die notwendigen physikalischen und chemischen Prozesse, die nötig sind, um dieses kalte interstellare Gas direkt zu modellieren.
"COLIBRE ist ein Simulationsprojekt, das Galaxien in all ihren Phasen abbildet, gerade auch ihre kalte Seite: Wir können sehen, wie Gas abkühlt, Moleküle bildet und schließlich neue Sterne entstehen. Das ist ein großer Fortschritt für großskalige Galaxiensimulationen", erklärt Ploeckinger, die als COLIBRE‑Mitentwicklerin die Modellierung dieser Prozesse leitete.
Kleine Staubkörner mit galaktischen Auswirkungen
COLIBRE simuliert zudem kleine Staubkörner, die das galaktische Gas stark beeinflussen können. Diese festen Partikel fördern die Bildung von Wasserstoffmolekülen, die den kalten Gasanteil von Galaxien dominieren. Der Staub schirmt Gas vor harter ultravioletter Strahlung ab und beeinflusst maßgeblich, wie Galaxien in Teleskopen erscheinen. Staub absorbiert ultraviolettes und optisches Licht von Sternen und emittiert es im Infraroten, was viele astronomische Beobachtungen prägt. Durch die direkte Modellierung von Staub eröffnet COLIBRE neue Wege, Simulationen mit realen Daten zu vergleichen.
Dank Fortschritten bei Algorithmen und Supercomputing verwendet COLIBRE bis zu 20-mal mehr Auflösungselemente als frühere Simulationen, wodurch größere Volumina mit höherer Detailtiefe und besseren Statistiken simuliert werden können. Dunkle Materie wird ebenfalls in hoher Auflösung modelliert, was Artefakte reduziert, die in früheren Simulationen zu sehen waren.
Ein neues Labor
COLIBRE zeigt, dass eine realistische Behandlung von kaltem Gas, Staub und dem Einfluss von Sternen und Schwarzen Löchern auf das interstellare Medium entscheidend für das Verständnis der Galaxienentwicklung ist. Es bietet ein leistungsfähiges neues Labor zum Testen von Theorien, zum Interpretieren von Beobachtungen und zum Erstellen "virtueller Beobachtungen", um zu prüfen, wie Astronom*innen reale Daten analysieren.
"Ein großer Teil des Gases in Galaxien ist kalt und staubig, aber die meisten früheren großen Simulationen mussten dies ignorieren", sagt Projektleiter Joop Schaye von der Universität Leiden. "Mit COLIBRE bringen wir diese essenziellen Komponenten endlich ins Bild."
COLIBRE zeigt, dass das Standardmodell der Kosmologie weiterhin mit Beobachtungen zur Galaxienentwicklung übereinstimmt – einschließlich einiger, die als herausfordernd galten, etwa der Massen von Galaxien im frühen Universum. "Einige frühe JWST-Ergebnisse schienen das Standardmodell der Kosmologie infrage zu stellen", sagt Evgenii Chaikin von der Universität Leiden, Hauptautor mehrerer begleitender COLIBRE-Publikationen und Mitautor der Hauptstudie. "COLIBRE zeigt, dass das Modell mit dem, was wir sehen, vereinbar bleibt, sobald zentrale physikalische Prozesse realistischer dargestellt werden."
"Little Red Dots" bleiben (noch) rätselhaft
Dennoch sind bei weitem noch nicht alle Fragen geklärt. So werden beispielsweise die rätselhaften "Little Red Dots", die vom JWST entdeckt wurden und möglicherweise die Keime supermassereicher Schwarzer Löcher sind, von COLIBRE nicht vorhergesagt, da angenommen wird, dass solche Keime bereits existieren. "Ihre Entstehung zu modellieren, erfordert Simulationen mit noch höherer Auflösung und neuer Physik – da liegt also noch viel Arbeit vor uns", sagt Ploeckinger.
Ein Universum, das man sehen und hören kann
Über die wissenschaftlichen Ergebnisse hinaus entwickelte das Team auch neue Wege, die Simulationen zu erkunden. Dazu gehören "sonifizierte Videos", in denen Klang zusätzliche physikalische Informationen codiert, sowie interaktive Karten, die es Nutzer*innen ermöglichen, die virtuellen Universen zu erforschen. "Diese Werkzeuge könnten neue Einblicke liefern, unser Fach zugänglicher machen und uns helfen, ein Gefühl dafür zu entwickeln, wie Galaxien wachsen und sich entwickeln", sagt James Trayford von der University of Portsmouth, der die Entwicklung des Staubmodells von COLIBRE und die Sonifizierung seiner Visualisierungen leitete.
Hier gibt es Video-Simulationen aus dem Projekt.
Zusammenfassung:
- COLIBRE ist eine neue Sammlung kosmologischer Simulationen: Die virtuellen Universen bieten das bisher realistischste Bild der Galaxienentstehung und -entwicklung seit nahezu Anbeginn der Zeit.
- COLIBRE zeigt, dass das Standardmodell der Kosmologie weiterhin mit Beobachtungen zur Galaxienentwicklung übereinstimmt – einschließlich einiger, die als herausfordernd galten, etwa der Massen von Galaxien im frühen Universum.
- "Im Gegensatz zu früheren Simulationen kann COLIBRE das kalte Gas und den kosmischen Staub innerhalb von Galaxien modellieren", erklärt Sylvia Ploeckinger vom Institut für Astrophysik der Universität Wien.
- "COLIBRE ist ein Simulationsprojekt, das Galaxien in all ihren Phasen abbildet, gerade auch ihre kalte Seite: Wir können sehen, wie Gas abkühlt, Moleküle bildet und schließlich neue Sterne entstehen. Das ist ein großer Fortschritt für großskalige Galaxiensimulationen", erklärt Ploeckinger, die als COLIBRE‑Mitentwicklerin die Modellierung dieser Prozesse leitete.
Über die Universität Wien:
Die Universität Wien setzt seit über 650 Jahren Maßstäbe in Bildung, Forschung und Innovation. Heute ist sie unter den Top 100 und damit den Top 4 Prozent aller Universitäten weltweit gerankt sowie in aller Welt vernetzt. Mit über 180 Studien und mehr als 10.000 Mitarbeitenden ist sie einer der größten Wissenschaftsstandorte Europas. Hier treffen Menschen aus unterschiedlichsten Disziplinen zusammen, um Spitzenforschung zu betreiben und Lösungen für aktuelle und künftige Herausforderungen zu finden. Ihre Studierenden und Absolvent*innen gehen mit Innovationsgeist und Neugierde komplexe Herausforderungen mit reflektierten und nachhaltigen Lösungen an.
Audiovisuelle Medien
Bilder, Videos, und interaktives Material von den COLIBRE Simulationen sind hier verfügbar.
Medienprodukte über COLIBRE können hier gefunden werden:
Über die COLIBRE Kollaboration:
Die COLIBRE Kollaboration besteht aus einem internationalem Team unter der Leitung von Prof. Joop Schaye von der Universität Leiden (Niederlande). Die WissenschaftlerInnen im COLIBRE Team arbeiten in England (Universitäten Durham, Portsmouth, Hull, Liverpool John Moores, Nottingham), Österreich (Universität Wien), Italien (Universität Milano-Biococca), Australien (Univ. of Western Australia), Belgien (Universität Ghent), und den USA (Univ. of Pennsylvania)
Originalpublikationen:
'The COLIBRE project: cosmological hydrodynamical simulations of galaxy formation and evolution', Schaye et al., In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
DOI: 10.1093/mnras/stag375
'COLIBRE: calibrating subgrid feedback in cosmological simulations that include a cold gas phase', Chaikin et al., In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
DOI: 10.1093/mnras/stag300
