Die Entwicklung von Gas in Galaxien

Die Art und Weise, wie Galaxien sich über die Zeit verändern, ist ein spannendes Thema. Ein wichtiger Aspekt dabei ist, wie sie aus Gas Sterne bilden. Galaxien enthalten kaltes Gas, das für die Sternentstehung essenziell ist. Im Lauf der Zeit haben Studien gezeigt, dass die Fähigkeit von Galaxien, Sterne zu bilden, im Allgemeinen abnimmt. Dieser Rückgang passiert nicht, weil Galaxien kein kaltes Gas mehr haben. Vielmehr liegt es daran, dass die Menge an Gas, die Sterne bilden kann, abnimmt.

In dieser Studie schauen wir uns Galaxien an, die aus einer Simulation namens Magneticum Pathfinder stammen, die uns hilft, zu verfolgen, wie sich Galaxien entwickeln. Wir haben festgestellt, dass die durchschnittliche Dichte von kaltem Gas in Galaxien im Laufe der Zeit abnimmt. Das passiert, weil sich die Regionen, in denen neue Sterne entstehen, an den Rand der Galaxien verschieben, wo die Gasdichte geringer ist. Dieser Befund unterstützt die Idee, dass Galaxien von innen nach aussen wachsen.

#Die Rolle von kaltem Gas in der Sternentstehung

Die Entstehung von Galaxien ist ein komplizierter Prozess, der von vielen verschiedenen physikalischen Faktoren beeinflusst wird. Ein entscheidender Prozess dabei ist, wie Sterne aus dem kalten Gas, das in den Galaxien gespeichert ist, entstehen. Einfach gesagt, Galaxien sammeln kaltes Gas aus dem Universum. Dieses Gas setzt sich in Scheiben ab, was es ermöglicht, dass Sterne durch die Umverteilung von Energie und Impuls entstehen.

Während sich Galaxien entwickeln, folgen sie normalerweise einem Trend namens Hauptsequenz. Das bedeutet, dass sie, während sie Sterne bilden, auch mehr Gas gewinnen, was zu einer höheren Sternentstehungsrate führt. Allerdings beginnt die Rate der Sternentstehung irgendwann abzunehmen, besonders bei niedrigeren Rotverschiebungen. Infolgedessen verlangsamt sich das allgemeine Wachstum der Galaxie.

Wenn die Sternentstehung stoppt, oft aufgrund verschiedener Mechanismen, die sie verhindern, fallen Galaxien unter die Hauptsequenz. Da Sterne aus molekularen Gasen bestehen, ist es wichtig, im Laufe der Zeit nachzuhalten, wie viel molekulares Gas in Galaxien vorhanden ist. Denn die Menge an molekularem Gas beeinflusst direkt das Potenzial zur Sternentstehung.

Theoretische Vorhersagen deuten darauf hin, dass von hohen Rotverschiebungen zu niedrigeren Rotverschiebungen die Dichte des molekularen Gases im Universum abnimmt. Beobachtungen haben diese Idee bestätigt, aber die Messung von molekularem Gas kann knifflig sein. Meistens verlassen sich Wissenschaftler auf Indikatoren wie CO-Gas, um die Menge an molekularem Gas zu bewerten, aber die Übersetzung zwischen CO-Messungen und tatsächlicher Gasmasse kann unklar sein.

Ausserdem zeigt die Forschung, dass nicht jedes molekulare Gas zur Sternentstehung führt. Manches Gas existiert in diffusen Regionen und trägt nicht zu den Prozessen der Sternezeugung bei. Das bedeutet, es ist nicht genau anzunehmen, dass alles molekulare Gas automatisch zu neuen Sternen führt, und die Verbindung zwischen dem verfügbaren Gas und der tatsächlichen Sternentstehung bleibt eine komplexe Herausforderung.

#Die Bedeutung von Simulationen

Neueste Simulationen zeigen, dass durch die Anpassung verschiedener Faktoren, wie Feedback-Prozesse und Auflösung, Forscher den realen Beobachtungen näher kommen können. Obwohl das hilft, die Beziehungen zwischen verschiedenen Grössen zu klären, wirft es auch Bedenken auf. Unterschiedliche Modellannahmen können die gleichen Ergebnisse produzieren, was es schwierig macht, solide Schlussfolgerungen zu ziehen. Ausserdem kann der Vergleich von Simulationsergebnissen mit realen Beobachtungen kompliziert sein. Manchmal kann die Art und Weise, wie Gasfraktionen berechnet werden, die Ergebnisse je nach verwendeten Methoden drastisch verändern.

Darüber hinaus behandeln theoretische Studien oft molekulares Gas als dasselbe wie Gas, das Sterne bildet, aber diese Annahme stimmt nicht immer mit dem überein, was Beobachtungen zeigen. In Simulationen gibt es Hinweise auf Gas, das nicht an der Sternentstehung teilnimmt, was zu irreführenden Schlussfolgerungen führen kann, wenn man Simulations- und Beobachtungsdaten vergleicht.

Zu erkennen, wie verfügbares Gas die Sternentstehung beeinflusst, ist eine entscheidende Frage in aktuellen Studien zur Entstehung und Entwicklung von Galaxien.

#Gasreserve und Sternentstehung

Das Gas, das in Galaxien Sterne bilden kann, stammt wahrscheinlich aus ihrem gesamten kalten Gasvorrat. Für Galaxien, die aktiv Sterne bilden, kann das kalte Gas, wie atomarer Wasserstoff (HI), ziemlich umfangreich sein und oft erheblich über den Bereich hinausreichen, wo sich Sterne konzentrieren. Beobachtungen zeigen, dass HI-Gas in kleineren Galaxien häufiger vorkommt, aber in grösseren Galaxien seltener wird.

Bei höheren Rotverschiebungen wird das Messen der Gasreserve zunehmend knifflig, wegen der Schwäche der HI-21 cm-Linie, die die Hauptmethode zur Beobachtung des HI-Inhalts ist. In Simulationen ist das Messen des gesamten Gasgehalts hingegen oft einfacher.

In früheren Studien, als Forscher Modelle mit echten Beobachtungen verglichen, haben sie die Beziehungen zwischen stellaren Massen, Gas-Massen und Sternentstehungsraten in starbildenden Galaxien verbunden. Sie fanden heraus, dass, obwohl Galaxien reich an kaltem Gas sind, der Anteil dieses Gases, das Sterne bilden kann, über die Zeit abnimmt. Das stimmt gut mit verschiedenen beobachtbaren Eigenschaften überein, aber die Gründe für diesen Rückgang sind noch nicht vollständig verstanden.

In dieser Nachfolgestudie wollen wir die physikalischen Prozesse untersuchen, die zum Rückgang des Anteils des starbildenden Gases im Vergleich zum gesamten verfügbaren kalten Gas beitragen.

#Die Magneticum Pathfinder-Simulationen

Die Magneticum Pathfinder-Simulationen sind eine Reihe von kosmologischen Simulationen. Sie analysieren, wie Galaxien sich über die Zeit bilden und entwickeln, während sie viele komplexe physikalische Prozesse berücksichtigen, die am Werk sind.

Diese Simulationen verwenden ein spezifisches kosmologisches Modell, das hilft, verschiedene Parameter über die Zeit hinweg zu verfolgen. Die Behandlung von Sternentstehung und galaktischen Winden in diesen Simulationen folgt einem Zwei-Phasen-Modell, in dem kaltes Gas zu Wolken wird. Diese Wolken entstehen aus heissem Gas, das abkühlt und von heissem Gas im Druckgleichgewicht umgeben ist.

In diesem Modell wird das heisse Gas durch Supernovae erhitzt, was zu galaktischen Winden führen kann. Die Simulationen berücksichtigen auch die chemische Evolution, einschliesslich der Metallproduktion aus verschiedenen Arten von Sternen.

Schwarze Löcher (BH) spielen ebenfalls eine Rolle in der Galaxienbildung. Die Simulationen berücksichtigen das Wachstum von BH und das Feedback von aktiven galaktischen Kernen. Dieses Feedback beeinflusst, wie sich das umliegende Gas verhält und kann auch die Sternentstehung beeinträchtigen.

#Auswahl der Galaxien für die Studie

In unserer Studie konzentrieren wir uns auf einen spezifischen Simulationsblock, um Scheibengalaxien zu analysieren, und stellen sicher, dass die Auflösung hoch genug ist, um ihre Gasentwicklung zu beobachten. Wir kategorisieren Galaxien basierend auf ihrer stellaren Masse und verfolgen ihre Entwicklung über die Zeit.

Durch die Auswahl von Scheibengalaxien anhand spezifischer Kriterien haben wir eine Stichprobe von über 600 Galaxien zusammengestellt, die wir analysieren. Wir beobachten ihre Entwicklung von der Gegenwart bis zu viel früheren Zeiten und klassifizieren sie in mehrere Massenklassen.

#Mechanismen der Sternentstehung

Die Sternentstehung findet in einem Subauflösungsmodell statt, in dem Gas über einem bestimmten Dichte-Schwellwert als zweiphasiges Medium betrachtet wird. In diesem Modell bilden kaltes Gas Wolken, die schliesslich zur Sternentstehung führen. Jeder Gasteilchen in der Simulation wird eine Sternentstehungsrate zugewiesen, was eine detaillierte Abbildung der Sternentstehung in den Galaxien ermöglicht.

#Analyse von kaltem und starbildendem Gas

Die Studie betrachtet verschiedene Eigenschaften von kaltem und starbildendem Gas, einschliesslich Masse, Dichte und wie sie in Galaxien verteilt sind. Wir beobachten, dass die Menge an kaltem Gas typischerweise über die Zeit für leichtere Galaxien zunimmt, während sie für schwerere Galaxien nach einem anfänglichen Anstieg konstant bleibt.

Allerdings nimmt der Anteil des Gases, das sternebildend ist, im Vergleich zum gesamten kalten Gas über die Zeit ab. Es wird klar, dass der Rückgang der Sternentstehung nicht auf einen Mangel an kaltem Gas zurückzuführen ist, sondern vielmehr auf eine Verringerung der Fähigkeit des Gases, Sterne zu bilden.

#Dichte des kalten Gases

Da Sterne aus kaltem Gas entstehen, das sich in dichtere Wolken verdichtet, zeigen die Untersuchungen zur Dichte des kalten Gases wichtige Trends. Die durchschnittliche Dichte von kaltem Gas nimmt im Laufe der Zeit für alle Galaxien ab. Irgendwann fällt die Dichte unter den Schwellwert, der für die Sternentstehung notwendig ist, was bei niedrigeren Massengalaxien früher und bei massiveren später passiert.

Diese Verschiebung wirft Fragen auf, warum die Dichte des kalten Gases im Laufe der Zeit abnimmt.

#Radiale Verteilung des Gases

Um mehr Licht auf dieses Thema zu werfen, analysieren wir die radiale Verteilung von kaltem und starbildendem Gas. Die durchschnittliche Dichte von kaltem Gas neigt dazu, abzunehmen, je weiter wir nach aussen in der Galaxie schauen und je weiter die Zeit fortschreitet. Interessanterweise verschiebt sich die maximale Dichte nach aussen zu grösseren galaktischen Radien über die Zeit, was mit der Idee des Innen-nach-Aussen-Wachstums übereinstimmt.

#Vergleich mit Beobachtungen

Für den Vergleich mit Beobachtungsdaten dient das starbildende Gas als Proxy für molekulares Gas. Vorsicht ist geboten, da unterschiedliche Massebereiche unterschiedliche Ergebnisse in der Gasdichte liefern können.

Unsere Ergebnisse zeigen einen Trend, bei dem das Verhältnis von kaltem Gas zu starbildendem Gas abnimmt, je weiter wir in der Zeit zurückblicken. Frühe Ergebnisse stimmen gut mit Beobachtungen überein, was darauf hindeutet, dass das Verständnis dieser Beziehung hilft, zu klären, wie Galaxien sich entwickeln.

#Zusammenfassung der Ergebnisse

Zusammenfassend untersucht diese Studie die Entwicklung von kaltem und starbildendem Gas in Galaxien. Wir haben beobachtet:

1. Die Verschiebung in der Dichteverteilung des kalten Gases über die Zeit von höheren zu niedrigeren Dichten, was zu weniger Regionen führt, die den notwendigen Schwellenwert für die Sternentstehung erreichen können.

2. Die fortlaufende Evolution zeigt, dass sich starbildende Regionen nach aussen bewegen, während Galaxien reifen, wo die Gasdichte abnimmt.

3. Während immer noch eine signifikante Menge kalten Gases vorhanden ist, nehmen die Druckbedingungen, die für die Sternentstehung notwendig sind, ab, während sich Gaswolken in die äusseren Regionen verschieben.

Diese Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung, nicht nur die Gesamtmenge an Gas zu betrachten, sondern auch dessen Verteilung innerhalb der Galaxien, wenn man die Sternentstehung studiert.

Das Verständnis dieser Prozesse hilft, ein klareres Bild davon zu zeichnen, wie Galaxien sich entwickeln und wie verschiedene Faktoren im Lebenszyklus von Sternen interagieren.

#Zukünftige Richtungen

Weitere Forschungen sind nötig, um zu erkunden, wie Gasansammlungen und lokale Bedingungen die Sternentstehung in Galaxien wieder ankurbeln könnten. Dies könnte zu neuen Erkenntnissen über die galaktische Evolution, die Sternentstehung und die Dynamik des Universums insgesamt führen.

Durch die Analyse von Simulationen neben Beobachtungsdaten können Forscher ihre Modelle verfeinern, um die Komplexität der Galaxienbildung und der Sternentstehungsprozesse besser zu erfassen und unser Verständnis des Kosmos zu erweitern.