Eine Illustration zeigt eine Galaxie, die in einem kosmischen Netz aus Gasstaub verstrickt ist.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit canva))
Genauso wie sich das Leben einer Fliege drastisch verändert, wenn sie in einem Spinnennetz gefangen ist, werden Galaxien, die in das riesige kosmische Netz verstrickt sind, dramatisch und unwiderruflich verändert.
Wissenschaftler der Universität von Kansas versuchen nun, die Mechanismen besser zu verstehen, die bei der Formung von Galaxienhaufen auf ihrer Reise durch ein kosmisches Netz unterschiedlicher Umgebungen eine Rolle spielen.
Gregory Rudnick, Professor für Physik und Astronomie an der Kansas University, leitet das Projekt, bei dem das kosmische Netz in einer Computersimulation nachgebildet und dann der Gasgehalt und die Sternentstehungseigenschaften von Galaxien auf ihrem Weg durch dieses Netz untersucht werden. Dabei werden Bilder von etwa 14.000 Galaxien aus dem DESI Legacy Survey, dem Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) und dem Galaxy Evolution Explorer (GALEX) der NASA verwendet. Das Team wird zusätzliche Beobachtungen mit dem 0,7-m-Planewave-Teleskop in Siena durchführen.
„Das Hauptziel dieses Projekts ist es, die Auswirkungen von Umweltfaktoren auf die Umwandlung von Galaxien zu verstehen“, sagte Rudnick in einer Erklärung. „Im Universum sind die Galaxien in einer ungleichmäßigen Verteilung verteilt, die durch unterschiedliche Dichten gekennzeichnet ist. Diese Galaxien schließen sich zu großen Haufen zusammen, die Hunderte bis Tausende von Galaxien umfassen, sowie zu kleineren Gruppen, die aus Dutzenden bis Hunderten von Galaxien bestehen.“
Galaxien können sich in Haufen oder Gruppen befinden, aber auch in isolierteren Regionen des Universums mit geringerer Dichte, dem so genannten „Feld““, wie Rudnick betonte.
Während frühere Studien, die das kosmische Netz und die darin befindlichen Galaxien simulierten, Galaxien in Haufen und Gruppen mit solchen verglichen, die allein im Feld stehen, haben sie es versäumt, die langgestreckten fadenförmigen Strukturen aus Gas, Staub und Sternen zu berücksichtigen, die die Haufen miteinander verbinden.
Rudnick und Kollegen berücksichtigten diese kosmische Autobahn und konzentrierten sich dabei auf die filamentären Umgebungen, auf die Galaxien treffen, darauf, wie die Galaxien überhaupt in Gruppierungen und Haufen kanalisiert werden und wie die Filamente ihre Entwicklung beeinflussen.
„Galaxien folgen einem Pfad in diese Filamente und erleben zum ersten Mal eine dichte Umgebung, bevor sie sich zu Gruppen und Haufen entwickeln“, sagte Rudnick. „Das Studium von Galaxien in Filamenten ermöglicht es uns, die ersten Begegnungen von Galaxien mit dichten Umgebungen zu untersuchen.“
Ein Screenshot aus einer Computersimulation von Galaxien, die in Gas- und Staubfäden eingebettet sind. (Bildnachweis: Yannick Bahé)
Die meisten Galaxien, die in die „urbanen Zentren“ von Galaxienhaufen eindringen, so Rudnick weiter, tun dies entlang der „Superhighways“ des kosmischen Netzes, während einige wenige „ländliche Routen“ nehmen, die sie in die Galaxienhaufen und -gruppen bringen, ohne viel mit ihrer Umgebung zu interagieren.
„Während Filamente mit Autobahnen vergleichbar sind, entsprechen diese weniger befahrenen Routen in dichte Regionen der Analogie, auf ländlichen Straßen in Kansas zu fahren, um die Stadtgrenzen zu erreichen“, sagte Rudnick. „Galaxien können in Filamenten oder in Gruppen existieren, die sich wie Perlen auf einer Schnur in Filamenten befinden. In der Tat existieren die meisten Galaxien im Universum in Gruppen.“
Das Team hofft, dass es mit dieser Simulation möglich sein wird, Einblicke in das Auftreten von Umwelteinflüssen auf Galaxien zu gewinnen und zu entschlüsseln, wie sich Galaxien in den Filamenten und Gruppen verhalten, in denen sie am häufigsten vorkommen.
Eingefangene Galaxien, die Sterne gebären
Ein wichtiger Aspekt der Arbeit des KU-Teams wird darin bestehen, zu bewerten, wie die Bedingungen der kosmischen Netzfilamente die Verarbeitung von Gas in Taschen mit Überdichte beeinflussen, was die Wissenschaftler als „Baryonenzyklus“ bezeichnen.
Da Sterne entstehen, wenn zu dichte Gas- und Staubklumpen kollabieren, können Störungen des Baryonenkreislaufs die Sternentstehung entweder ankurbeln oder behindern und so das Wachstum von Galaxien beschleunigen oder verlangsamen.
„Der Raum zwischen Galaxien enthält Gas. Tatsächlich befinden sich die meisten Atome im Universum in diesem Gas, und dieses Gas kann sich an die Galaxien anlagern“, so Rudnick. „Dieses intergalaktische Gas wird in Sterne umgewandelt, obwohl die Effizienz dieses Prozesses relativ gering ist, da nur ein kleiner Prozentsatz zur Sternbildung beiträgt. Der größte Teil wird in Form von großen Winden ausgestoßen“.
Einige dieser Winde werden zu Ausströmungen, die von Galaxien zurück in den Weltraum geblasen werden, während andere windgepustete Materie zu ihrer Ursprungsgalaxie zurückfällt, akkretiert und schließlich als Teil des Baryonenkreislaufs recycelt wird.
„Galaxien kann man sich als baryonische Verarbeitungsmaschinen vorstellen, die Gas aus dem intergalaktischen Medium anziehen und einen Teil davon in Sterne umwandeln“, erklärt Rudnick. „Sterne wiederum werden zu Supernovae, die schwerere Elemente produzieren. Ein Teil des Gases wird ins All hinausgeblasen und bildet eine galaktische Fontäne, die schließlich in die Galaxie zurückfällt.“
Der Plejaden-Sternhaufen: Eine Ansammlung von Galaxien, die durch Fäden aus Gas und Staub verbunden sind. (Bildnachweis: Getty Images)
Wenn Galaxien im kosmischen Netz auf eine dichte Umgebung treffen, können sie ihren Innendruck verändern und den Baryonenkreislauf stören, indem sie aktiv Gas aus der Galaxie abziehen oder ihr den zukünftigen Gasvorrat entziehen.
Dies führt dazu, dass die galaktischen Sternfabriken, die in den Herzen der Galaxienhaufen sitzen, zum Stillstand kommen, da ihr rohes, sternengebärendes Material abgeschreckt wird.
„Die Störung wirkt sich auf die Aufnahme und den Ausstoß von Gas durch Galaxien aus, was zu Veränderungen in ihren Sternentstehungsprozessen führt“, so Rudnick. „Es kann zwar zu einem vorübergehenden Anstieg der Sternentstehung kommen, aber in fast allen Fällen führt dies schließlich zu einem Rückgang der Sternentstehung.“
Die Simulationen des Teams werden den Wissenschaftlern hoffentlich helfen, den Baryonenzyklus besser zu verstehen, ein Thema, das in der dekadischen Astro2020-Umfrage als eines der wichtigsten wissenschaftlichen Themen für das kommende Jahrzehnt hervorgehoben wurde.
Die Forschungsarbeiten werden bis 2026 auch die Vermittlung wissenschaftlicher Kenntnisse an Schüler der High Schools in Kansas und New Jersey umfassen. Dazu gehört auch die Ausstattung der Schulen mit 11 MacBook Pros, damit die Schüler an dem Forschungsprojekt teilnehmen können.
