Neues analytisches Modell könnte mehr Licht auf die Verteilung von Sternen und Dunkler Materie in Galaxien werfen
Es wird erwartet, dass kosmologische Untersuchungen in naher Zukunft Milliarden von Galaxien entdecken und ihre Positionen sowie Formen mit vorzüglicher Genauigkeit bestimmen werden. Diese Messungen können verwendet werden, um darauf zu schließen, wie sich das Universum entwickelt und in seinen aktuellen Zustand versetzt hat. Diese Informationen können wiederum dazu eingesetzt werden, um auf die grundlegenden Bestandteile des Kosmos zu schließen und möglicherweise neue Einblicke in die mysteriöse Dunkle Energie und Materie zu ermöglichen, welche die überwiegende Mehrheit der Masse im Universum ausmachen. „Um aus Galaxieneigenschaften aussagekräftige Informationen über dunkle Materie zu extrahieren, ist ein fundiertes theoretisches Verständnis des umgekehrten Prozesses erforderlich: Wie wirken sich verschiedene theoretische Modelle von dunkler Materie und dunkler Energie auf kosmologische Strukturbildung und damit Galaxieneigenschaften aus?“, bemerkt Alexander Mead, Koordinator von Halo modelling – einem Projekt, das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert wird.
Verbessertes kosmologisches Halo-Modell
Der naheliegendste Weg zur Untersuchung der Strukturbildung besteht in der Durchführung kosmologischer Simulationen, die ausgiebige Brute-Force-Angriffe für jedes vorgestellte kosmologische Szenario beinhalten. Das Halo-Modellierungsprojekt entwickelte neue theoretische Werkzeuge, die Millionen von Stunden Rechenzeit sparen. „Unser neu entwickeltes semi-analytisches Modell führt zu mehreren Verbesserungen bei dem seit langem etablierten Halo-Modell durch Zusammenführung von Erkenntnissen aus den neuesten Simulationsergebnissen. Zum ersten Mal werden die Halo-Bestandteile – Halos aus Sternen, Heißgas und Dunkler Materie – getrennt behandelt, wodurch ein stimmigeres Bild der Galaxienentwicklung erstellt wird. Es ermöglicht uns auch, denselben zugrunde liegenden theoretischen Rahmen zu verwenden, um Kreuzkorrelationen zwischen verschiedenen Tracern großräumiger Strukturen im Universum zu berechnen“, erklärt Mead. Ein weiterer Teil der Forschung zielte darauf ab, eine genauere Beschreibung der Verteilung gravitationsgebundener Materieklumpen auf dem schwachen Gashalo und dem unsichtbaren Halo der Dunklen Materie zu liefern. Mit ihrem neuen Modell gelang es den Forschenden, die Materieverteilung mit einer Genauigkeit von mehr als 3 % für eine Vielzahl kosmologischer Modelle zu modellieren. Das neue Modell wurde in die neue quelloffene Software HMcode-2020 eingespeist. Letztendlich stellten die Forschenden einen schwerwiegenden Mangel in der Standardtheorie der kosmologischen Strukturbildung fest. Dieser besteht darin, dass die Halo-Verzerrung – eine Größe, die widerspiegelt, wie Halos aus Dunkler Materie im Vergleich zur zugrunde liegenden Materieverteilung geclustert werden – zu stark vereinfacht wird. „Lineare Beziehungen beschreiben die Dynamik um kollabierte Strukturen falsch. Die Weiterentwicklung der Störungstheorie zur Behandlung von Nichtlinearitäten ist auf dem neuesten Stand der theoretischen Kosmologie“, fügt Mead hinzu. „Verbesserte Simulationen könnten ein klareres Bild davon vermitteln, wie die Galaxienbildung auf das kosmologische Hintergrundmodell reagiert, einschließlich der Menge und Art der Dunklen Energie und Materie. Eine Simulation aller seltsamen und wunderbaren kosmologischen Szenarien, die in Betracht gezogen werden, wäre jedoch unmöglich. Ein semi-analytisches Modell, das die Lücke zwischen rein theoretischen Erkenntnissen und Simulationsergebnissen schließt, wird im Arsenal der Kosmologie immer ein unschätzbares Werkzeug sein“, schließt Mead.
Schlüsselbegriffe
Halo modelling, Halo, Dunkle Materie, Strukturbildung, gravitativ gebundene Materie, kosmologisches Szenario, Störungstheorie