Wie schwarze Löcher den Kosmos formen

  • 01. February 2018

Simulationen zeigen Einfluss schwarzer Löcher auf die Verteilung der Dunklen Materie.

Im Zentrum jeder Galaxie sitzt ein supermasse­reiches schwarzes Loch. Wie diese Schwerkraft­fallen die groß­räumige Struktur unseres Universums beein­flussen, zeigt jetzt ein neues Computer­simulations­modell. Beteiligt daran sind Forscher des Heidel­berger Instituts für Theo­retische Studien HITS, der Univer­sität Heidel­berg sowie der Max-Planck-Institute für Astro­nomie und für Astro­physik und ameri­kanische Kollegen. Das Projekt „Illustris – The Next Generation“ - kurz Illus­trisTNG, ist die bislang voll­ständigste Simulation dieser Art. Mithilfe grund­legender physika­lischer Gesetz­mäßigkeiten zeigt sie, wie sich unser Kosmos seit dem Urknall entwickelt hat. Einige der physika­lischen Prozesse, die dabei eine Rolle spielen, wurden in Illus­trisTNG überhaupt erstmals in eine derart umfangreiche Simulation einbe­zogen.

Abb.: Visualisierung des Gasgeschwindigkeitsfeldes in einem dünnen Schnitt mit einer Dicke von 100 Kiloparsec. In der Bildmitte ist der zweitschwerste Galaxienhaufen in der Simulation zu sehen. (Bild: IllustrisTNG)

Abb.: Visualisierung des Gasgeschwindigkeitsfeldes in einem dünnen Schnitt mit einer Dicke von 100 Kiloparsec. In der Bildmitte ist der zweitschwerste Galaxienhaufen in der Simulation zu sehen. (Bild: IllustrisTNG)

Das von Illus­trisTNG voraus­gesagte kosmische Netz aus Gas und Dunkler Materie beherbergt an seinen Kreuzungs­punkten Galaxien, die gut zur Gestalt und Größe echter Galaxien passen. Zum ersten Mal konnte mit hydro­dynamischen Simu­lationen auch das Verteilungs­muster der Galaxien im Raum detail­liert berechnet werden. Vergleiche mit Beobach­tungsdaten – inklusive neuester, umfang­reicher Durchmus­terungen – zeigen, wie rea­listisch die Ergebnisse der Simu­lationen sind. Außerdem sagen die Simu­lationen voraus, wie sich das kosmische Netz im Laufe der Zeit verändert, insbe­sondere im Verhäl­tnis zum darunter liegenden Rückgrat des Kosmos aus Dunkler Materie. „Es ist besonders faszi­nierend, dass wir den Einfluss supermasse­reicher schwarzer Löcher auf die Verteilung Dunkler Materie auf großen Skalen genau voraus­sagen können“, sagt Projekt­leiter Volker Springel. „Das ist entscheidend, um zukünftige kosmo­logische Messungen verläss­lich auswerten zu können.“

Wie wichtig der Einfluss schwarzer Löcher auf Galaxien ist, konnte Dylan Nelson nachweisen. Stern­bildende Galaxien strahlen hell im blauen Licht junger Sterne, bis ein plötz­licher Entwicklungs­schub die Stern­entstehung ausschaltet, so dass sie von alten, roten Sternen dominiert werden und sich zum Friedhof alter Galaxien hinzu gesellen. „Das einzige physika­lische Objekt, das in der Lage ist, die Stern­entstehung in unseren großen ellip­tischen Galaxien auszu­löschen, sind die supermasse­reichen schwarzen Löcher in ihren Zentren“, erklärt Nelson. „Die ultra­schnellen Auswürfe dieser Schwerkraft­fallen erreichen Geschwin­digkeiten von bis zu zehn Prozent der Lichtge­schwindigkeit und beein­flussen riesige Stern­systeme, die milliarden­fach größer sind als das vergleichs­weise kleine schwarze Loch.“

„Illus­trisTNG“ hilft auch, den hie­rarchischen Aufbau der Galaxien besser zu verstehen. Schon lange vermuten Theo­retiker, dass zunächst kleine Galaxien entstehen müssten, die dann zu immer größeren Objekten verschmelzen, zusammen­gezogen von der unerbitt­lichen Anziehungs­kraft der Schwerkraft. Bei zahl­reichen solchen Galaxien­kollisionen werden Galaxien förmlich zerrissen. Ihre Sterne kreisen dann auf weiten Bahnen um neu entstandene große Galaxien, was ihnen ein schwaches Glimmen im Hinter­grund verleihen müsste. Diese voraus­gesagten Lichthöfe sind aufgrund ihrer geringen Oberflächen­helligkeit nur sehr schwer zu beobachten – aber Illus­trisTNG konnte genau simu­lieren, wonach Astro­nomen suchen sollten. „Unsere Voraus­sagen können von Beobachtern nun gezielt überprüft werden“, sagt Annalisa Pillepich. „So kann das theo­retische Modell der hie­rarchischen Galaxien­entstehung gezielt auf die Probe gestellt werden.“

Für das Projekt ent­wickelten die Forscher eine besonders leistungs­fähige Version ihres hoch­parallelen bewegten Gitter-Codes AREPO und setzten ihn auf der „Hazel-Hen“-Maschine am Höchst­leistungsrechen­zentrum Stuttgart ein, dem schnellsten deutschen Großrechner. „Illus­trisTNG“ ist das bisher größte hydro­dynamische Simulations­projekt über die Entwicklung kos­mischer Strukturen. Für eine der beiden Haupt­berechnungen arbei­teten mehr als 24000 Prozessoren über zwei Monate an der Entstehung von Millionen von Galaxien, in einer repräsen­tativen Region des Uni­versums von knapp einer Milliarde Licht­jahre Kanten­länge. „Dank der Rechen­zeit des deutschen Gauss Zentrums für Super­computing konnten wir den Stand der Wissen­schaft in diesem Bereich neu defi­nieren“, erklärt Volker Springel. „Die neuen Simu­lationen erzeugten mehr als 500 Terabyte Simulations­daten. Die Auswertung dieses riesigen Daten­berges wird uns noch über Jahre hinweg beschäf­tigen und verspricht viele weitere spannende Erkennt­nisse über unter­schiedliche astrophysi­kalische Prozesse.“

HITS / JOL

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