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Promotionsprojekte
© Katrin Lehle

Wolkig mit Aussicht auf Regen: Simula­tio­nen des galak­ti­schen Wetters

Katrin Lehle – Hector RCD Awardee Dylan Nelson

Galaxien sind von einer mannig­fal­ti­gen und komple­xen Atmosphäre umgeben – dem zirkum­ga­lak­ti­schen Medium (CGM). Um ein selbst­kon­sis­ten­tes
Modell für die Entwick­lung von Galaxien entwi­ckeln zu können, ist es unabding­bar, dass wir die Prozesse verste­hen, die im CGM ablau­fen. Aus diesem
Grund wollen wir mit Hilfe von numeri­schen Simula­tio­nen das Gas inner­halb von Galaxien­hau­fen unter­su­chen und ungeklär­ten Fragen auf den Grund gehen. Wir werden die bereits existie­rende kosmo­lo­gi­sche, state-of-the-art Simula­tion Illus­trisTNG analy­sie­ren und des Weite­ren neue Arten von Simula­tio­nen entwickeln.

Galaxien sind keine isolier­ten Inseln aus Sternen, die in Univer­sum umher­schwe­ben, sondern von einer mannig­fal­ti­gen und komple­xen Atmosphäre umgeben – dem zirkum­ga­lak­ti­schen Medium (CGM). Die Entwick­lung einer selbst­kon­sis­ten­ten Theorie zur Entwick­lung von Galaxien ist nur erreich­bar, wenn wir die Prozesse verste­hen, die in den Atmosphä­ren von Galaxien vorgehen.

Genau wie unsere Erde ist eine Galaxie ein komple­xes Ökosys­tem und weist Wetter­phä­no­mene auf. Super­mas­se­rei­che Schwarze Löcher und Super­no­vae speisen gewal­tige Mengen an Energie in die Atmosphäre ein und treiben Gasströme an. Beobach­tun­gen und Simula­tio­nen deuten darauf hin, dass das Gas in der Atmosphäre ein mehrpha­si­ges Medium ist, in dem sich kühle, dichte Wolken inner­halb einer heißen und diffu­sen Phase bilden können. Es ist möglich, dass diese Wolken auf die Galaxie zurück­reg­nen und weitere Stern­ent­ste­hung und Aktivi­tät von Schwar­zen Löchern fördern können. Dieser baryo­ni­sche Zyklus weist Ähnlich­kei­ten zum Wasser­zy­klus auf der Erde auf, aller­dings müssen weitere Prozesse wie das Verschmel­zen von Satel­li­ten­ga­la­xien und kosmo­lo­gi­sche Zuströme berück­sich­tigt werden.

Auf Grund der Komple­xi­tät des CGM ist der Einsatz von numeri­schen Simula­tio­nen entschei­dend, um theore­ti­sche Modelle der Entwick­lung von Galaxien konstru­ie­ren zu können. Deshalb verwen­den wir in diesem Projekt die state-of-the-art kosmo­lo­gi­sche, hydro­dy­na­mi­sche Simula­tion IllustrisTNG.

In dieser Arbeit konzen­trie­ren wir uns auf die masse­reichs­ten Objekte des Univer­sum – Galaxien­hau­fen. Galaxien­hau­fen sind hervor­ra­gend geeig­net, um deren Atmosphä­ren zu unter­su­chen, da ihr Gas mit Beobach­tun­gen in Röntgen­wel­len­län­gen sehr gut analy­siert werden kann. Außer­dem bringen Galaxien­hau­fen noch einige ungelöste Rätsel mit sich. Zum Beispiel können wir keine kalten Gasvor­kom­men und übermä­ßige Stern­ent­ste­hung in den Zentren beobach­ten, obwohl man dies auf Grunde der beobach­te­ten Kühlzeit­ska­len erwar­ten würde.

In diesem Promo­ti­ons­pro­jekt werden wir diesen unver­stan­de­nen Prozes­sen auf die Spur gehen, indem wir bereits existie­rende kosmo­lo­gi­sche Simula­tio­nen analy­sie­ren werden und anderer­seits neue Arten von Simula­tio­nen entwickeln.

Wolkig mit Aussicht auf Regen: Simulationen des galaktischen Wetters
In der Abbil­dung ist der masse­reichste dunkle Materie Halo der TNG50 Simula­tion zu sehen. Der weiße Kreis kennzeich­net dabei den Virial­ra­dius. Die vier verschie­de­nen Ausschnitte zeigen vier verschie­dene Eigen­schaf­ten dieses Halos. Oben links: stellare Säulen­dichte, oben rechts: Entro­pie des Gases, unten links: bolome­tri­sche Hellig­keit des Gases im Röntgen­be­reich, unten rechts: Tempe­ra­tur des Gases.

Katrin Lehle

Univer­si­tät Heidelberg
   

Betreut durch

Hector RCD Awardee Dr.

Dylan Nelson

Physik, Infor­ma­tik

Disziplinen Dylan NelsonHector RCD Awardee seit 2021