Eigenschaften kalter Gasströme bei der Galaxienbildung

Das CDM-Konkordanz-Modell der Kosmologie erklärt den Aufbau der kosmischen Strukturen im Großen und Ganzen erfolgreich (Blumenthal et al. 1984, Coles 2005). Eine herausfordernde Aufgabe in der heutigen Kosmologie ist es, die Physik der Gase und der Galaxienentstehung vernünftig in dieses Denkmuster einzubauen. Dies erfordert die Modellierung astrophysikalischer Prozesse, wie Sternenentstehung und stellare Rückkoppelungen, die sich auf Größenordnungen von Parsec abspielen verglichen mit den Größenordnungen des Aufbaus der kosmischen Strukturen im Großen und Ganzen von Megaparsec. Dies muß gleichzeitig modelliert werden, da es sich unzweifelhaft gegenseitig beeinflusst. Kosmologische Simulationen zeigten, daß kalte Gasströme die Zentren von dunklen Materiehalos erreichen können ohne durch einen Schock erwärmt zu werden (Birnboim & Dekel 2003; Keres et al. 2005; Dekel et al. 2009). Aus Beobachtersicht sind die starken Ausflüsse, die in hochrot verschobenen Galaxien nachgewiesen wurden, nicht im Standardmodell der Galaxienentstehung enthalten (Law et al. 2007). So sind Kosmologen weit davon entfernt ein korrektes Verständnis der Galaxienentstehung zu besitzen, sowohl qualitativ als auch quantitativ. Allerdings wird sich diese Situation in den nächsten paar Jahren, getrieben durch die konstante Steigerung der Rechnerleistungsfähigkeit, erheblich verbessern. Deswegen ist es jetzt die richtige Zeit, die Schlüsselprozesse, die auf galaktischen Größenordnungen relevant sind zu untersuchen. Meine Arbeit wird sich auf die stetigen, schmalen, kalten Gasströme, die frühe Galaxien füttern, konzentrieren. Die Fragen, die ich beantworten möchte, behandeln das allgemeine Verhalten dieser kalten Ströme. Es ist offensichtlich, daß die Dynamik der kalten Ströme die Physik der Galaxienentstehung und -entwicklung dominiert, da sie einen Großteil des Gases, des Drehimpulses und der Fusionen in das Galaxienzentrum bringen. Durch Analysieren von großmaßstäblichen kosmologischen hydrodynamischen Simulationen möchten wir robuste statistische Aussagen über die Anzahl der kalten Ströme pro Galaxie als Funktion von Masse und Rotverschiebung machen. Ein weiteres wichtiges Ziel ist es, die Ausrichtung der kalten Ströme im Verhältnis zur galaktischen Scheibe als auch im Verhältnis zum kosmischen Netz zu erforschen. Dies soll zuerst empirisch mit numerischen Simulationen und dann später analytisch erfolgen. Wir wollen mehr von den allgemeinen Merkmalen der Gasströme, wie Gesamteinströmung, Temperatur, Geschwindigkeit und Masse, als auch die Anzahl und Auftrittshäufigkeit von Klumpen in ihnen studieren und dann mit analytischen Vorhersagen sowie mit Beobachtungen vergleichen. Wir sind sehr daran interessiert, die dem in den Simulationen beobachteten Verhalten zugrunde liegenden physikalischen Prozesse zu verstehen. Wir befinden uns in einer exzellenten Position, eine vollständige Untersuchung dieser Phänomene zu beginnen, um zu einem voll ausgearbeiteten Szenario über die Rolle von kalten Gasströmen in der Galaxienentstehung zu gelangen. Dieser Projektantrag ist eine Neuplanung des Förderungsantrags Nr. M 1515-N27 "Eigenschaften kalter Gasströme bei der Galaxienbildung."

Das Konkordanz-Modell der Kosmologie erklärt den Aufbau der kosmischen Strukturen im Großen und Ganzen erfolgreich. Eine herausfordernde Aufgabe in der heutigen Kosmologie ist es, die Physik der Gase und der Galaxienentstehung vernünftig in dieses Denkmuster einzubauen. Dies erfordert die Modellierung astrophysikalischer Prozesse, wie Sternentstehung und stellare Rückkoppelungen, die sich auf Größenordnungen von Lichtjahren abspielen verglichen mit den Größenordnungen des Aufbaus der kosmischen Strukturen im Großen und Ganzen von Millionen von Lichtjahren. Diese müssen gleichzeitigmodelliert werden, da es sich unzweifelhaft gegenseitig beeinflusst. Kosmologische Simulationen zeigten, dass kalte Gasströme die Zentren von dunklen Materiehalos erreichen können ohne durch einen Schock erwärmt zu werden. Aus Beobachtersicht sind die starken Ausflüsse, die in hochrot verschobenen Galaxien nachgewiesen wurden, nicht im Standardmodell der Galaxienentstehung enthalten. So sind Kosmologen weit davon entfernt ein korrektes Verständnis der Galaxienentstehung zu besitzen, sowohl qualitativ als auch quantitativ. Allerdings verbessert sich diese Situation erheblich, getrieben durch die konstante Steigerung der Rechnerleistungsfähigkeit, erheblich verbessern. Deswegen war es die richtige Zeit, die Schlüsselprozesse, die auf galaktischen Größenordnungen relevant sind, zu untersuchen.Die Arbeit dieses Projektes konzentrierte sich auf die stetigen, schmalen, kalten Gasströme, die frühe Galaxien füttern. Die Fragen, die es beantwortete, behandeln das allgemeine Verhalten dieser kalten Ströme. Es war immer offensichtlich, dass die Dynamik der kalten Ströme die Physik der Galaxienentstehung und -entwicklung dominiert, da die Ströme einen Großteil des Gases, des Drehimpulses und der Fusionen in das Galaxienzentrum bringen. Durch Analysieren von großmaßstäblichen kosmologischen hydrodynamischen Simulationen traf das Projekt robuste statistische Aussagen über die Geschwindigkeiten, die Akkretionsraten die Verteilung der Akkretionsraten, sowie der Klumpendichte der Akkretion entlang der Gasströme aus dem kosmologischen Netz hinein in massive Galaxien bei hohen Rotverschiebungen. Das Projekt fand heraus, dass die Geschwindigkeiten der simulierten kalten Gasströme mit Radius konstant bleiben und dass diese konstanten Geschwindigkeiten ein 'Parabel-ähnliches' Abhängigkeitsverhältnis (Logarithmische Normalverteilung) zur Halomasse der Zentralgalaxie haben und einem Wurzelpotenzgesetz mit der Rotverschiebung folgen. Das Projekt fand weiterhin heraus, dass die Gasströme auf Ihrer Reise in die Zentralgalaxie ungefähr eine konstante Akkretionsrate behalten. Die Verteilung der Akkretionsraten kann sehr gut durch die Summe von zwei Normalverteilungen beschrieben werden. Die erste entspricht dem gleichmäßigen Einfall und die zweite entspricht dem Einfall von Klumpen. Die gleiche Funktion wurde schon zur Beschreibung von spezifischen Sternentstehungsraten in Beobachtungen verwendet. Der Gesamtmassenanteil des gleichmäßigen Einfalls liegt bei 60 90 Prozent, unabhängig von Rotverschiebung oder Zentralgalaxienmasse. Eine Logarithmusgleichung beschreibt die kumulative Klumpenverschmelzungsrate am besten. Die Parameter dieser Gleichung variieren mit Masse und Rotverschiebung nach einem Potenzgesetz oder einer 'Parabel-ähnlichen' Gleichung. Auch Gas- und Sternansammlungen, die kein eigenes dunkle Materie Halo haben, wurden entdeckt.