Wie unsichtbare Fäden des kosmischen Netzes Galaxien formen

Es wird eine Visualisierung eines Computermodells präsentiert, das die Konfiguration von Gas und Sternen in einem Galaxienhaufen zeigt und die Art und Weise hervorhebt, wie Galaxienhaufen innerhalb des kosmischen Filamentnetzes angeordnet sind. In den Bildern spiegeln Intensität und Farbe des Bildes die Dichte und Temperatur des Gases wider. Diese Bilder zeigen eine Reihe vergrößerter Ansichten einer Galaxie, die sich in einem Filament befindet. Beginnend oben rechts und fortschreitend gegen den Uhrzeigersinn bezeichnen die Maßstabsbalken Entfernungen von 3,3 Millionen Lichtjahren (zweimal), 330.000 Lichtjahren und 33.000 Lichtjahren. Das Bild unten rechts zeigt die Sterne in den Galaxien dieses theoretischen Clusters, wobei der Maßstab 330.000 Lichtjahre entspricht. Das WISESize-Programm wird Beobachtungen nutzen, um die räumliche Verteilung von Gas und Sternen in Galaxien zu berechnen, während sie das allgegenwärtige kosmische Netz im nahen Universum durchqueren. Bildnachweis: Yannick Bahé

Das Team unter der Leitung von Professor Gregory Rudnick von der University of Kansas forscht zur Entwicklung von Galaxien und ihren Sternentstehungsprozessen und wird dabei durch ein umfangreiches NSF-Stipendium unterstützt. Die Studie untersucht den Einfluss unterschiedlicher kosmischer Umgebungen auf Galaxien und bezieht Schüler sowohl in die Forschungs- als auch in die weiterführenden Bildungsprogramme ein. Ziel der Forscher der University of Kansas ist es, mehr Licht auf die komplexen Mechanismen zu werfen, die die Entwicklung von Galaxien vorantreiben, die im Laufe ihres Lebens ein „kosmisches Netz“ unterschiedlicher Umgebungen durchlaufen.

Gregory Rudnick, Professor für Physik und Astronomie an der KU, steht an der Spitze eines Teams, das kürzlich ein Stipendium der National Science Foundation in Höhe von 375.000 US-Dollar erhalten hat, um den Gasgehalt und die Sternentstehungseigenschaften von Galaxien zu erforschen, die sich je nach Standort im Kosmos ändern. „Das Hauptziel dieses Projekts besteht darin, die Auswirkungen von Umweltfaktoren auf die Galaxienentwicklung zu erkennen“, erklärte Rudnick. „Im Universum sind Galaxien in einem Muster verteilt, das nicht einheitlich ist und durch unterschiedliche Dichten gekennzeichnet ist. Dies führt dazu, dass sich Galaxien in großen Clustern ansammeln, die aus Hunderten bis Tausenden von Galaxien bestehen, sowie zu kleineren Ansammlungen, die aus Dutzenden bis Hunderten von Galaxien bestehen.“ Galaxien.“

Darüber hinaus, so Rudnick, könnten Galaxien Teil ausgedehnter Filamentstrukturen sein oder isoliert in Regionen des Universums mit geringerer Dichte existieren. Bisher lag das Hauptaugenmerk auf dem Vergleich von Galaxien in Clustern und Gruppen mit denen in Galaxien in den Regionen des Universums mit der geringsten Dichte, den sogenannten „Feldern“. Diese Studien neigen jedoch dazu, die fadenförmigen Autobahnen außer Acht zu lassen, die die am dichtesten besiedelten Gebiete verbinden.

Rudnicks Team wird einen umfassenderen Blick auf die Dichtebereiche des Universums werfen; Der Schwerpunkt wird darauf liegen, wie Galaxien auf die filamentartige Umgebung reagieren, wenn sie sich auf Galaxiengruppen und -haufen zubewegen, was wiederum ihre Entwicklung verändert. „Wenn Galaxien zum ersten Mal auf diese filamentartige Umgebung treffen, nehmen sie einen Weg entlang des Filaments“, erklärte Rudnick. „Es ist, als würde man Galaxien zum ersten Mal in einer dichten Umgebung beobachten, bevor sie in Gruppen und Cluster übergehen.“

Rudnick vergleicht die meisten Galaxien, die über diese „Superhighways“ in die Galaxienhaufen gelangen, mit Autobahnen zwischen den Bundesstaaten; Weniger Galaxien nehmen isoliertere Routen in dichte Regionen, die eher Landstraßen in Kansas ähneln. Galaxien können innerhalb der Filamente existieren oder Gruppen innerhalb der Filamente bewohnen. Laut Rudnick existieren die meisten Galaxien im Universum innerhalb dieser Gruppen. Daher wird diese Studie Einblicke sowohl in den Einfluss der Umgebung auf Galaxien als auch in das Verhalten von Galaxien in Regionen liefern, in denen sie am häufigsten vorkommen, wie etwa Filamente und Gruppen.“

Ein Hauptforschungsbereich wird sein, wie die Bedingungen innerhalb dieser Filamente, Felder, Gruppen und Galaxienhaufen den „Baryonenzyklus“ der Gase innerhalb und um die Galaxien verändern. Diese kosmischen Nachbarschaften können das Verhalten des Gases in und um Galaxien beeinflussen und sogar das dichteste molekulare Gas beeinflussen, aus dem Sterne entstehen. Daher können Störungen dieses Baryonenzyklus die Entstehung neuer Sterne entweder anregen oder verhindern. Kürzlich wurde in der Astro2020 Decadal-Umfrage – einem Bundesbericht der astronomischen Gemeinschaft, der astronomische Forschungsziele für die 2020er Jahre festlegt – das Verständnis des Baryonenzyklus als ein entscheidendes wissenschaftliches Thema für das kommende Jahrzehnt aufgeführt.

„Der Raum zwischen Galaxien enthält Gas. Tatsächlich befinden sich die meisten Atome im Universum in diesem Gas, und dieses Gas kann sich auf den Galaxien ansammeln“, sagte Rudnick. „Dieses intergalaktische Gas verwandelt sich in Sterne, obwohl die Effizienz dieses Prozesses relativ gering ist und nur ein kleiner Prozentsatz zur Sternentstehung beiträgt.“ Der Großteil wird in Form von starken Winden ausgestoßen. Einige dieser Winde treten in den Weltraum aus, sogenannte Ausflüsse, während andere recycelt werden und zurückkehren.

„Dieser kontinuierliche Zyklus aus Akkretion, Recycling und Abflüssen wird als Baryonenzyklus bezeichnet. Galaxien können als Baryonenverarbeitungsmaschinen betrachtet werden, die Gas aus dem intergalaktischen Medium ansaugen und einen Teil davon in Sterne umwandeln. Sterne wiederum werden zur Supernova und produzieren schwerere Elemente. Ein Teil des Gases wird in den Weltraum geblasen und bildet eine galaktische Fontäne, die schließlich in die Galaxie zurückfällt.“

Rudnick sagte jedoch, dass Galaxien, wenn sie auf eine dichte Umgebung treffen, einem Druck ausgesetzt sein können, der durch ihren Durchgang durch das umgebende Gas verursacht wird, und dieser Druck kann wiederum den Baryonenzyklus stören, indem entweder aktiv Gas aus der Galaxie entfernt wird oder die Galaxie ihrer Zukunft beraubt wird Gas Versorgung. Tatsächlich kann es in den Zentren von Galaxien vorkommen, dass ihre Sternentstehungskraft erlischt, wenn ihnen die Gasversorgung entzogen wird.

„Die Störung beeinflusst die Aufnahme und den Ausstoß von Gas durch Galaxien und führt zu Veränderungen in ihren Sternentstehungsprozessen“, sagte er. „Während es zu einem vorübergehenden Anstieg der Sternentstehung kommen kann, führt dies in fast allen Fällen schließlich zu einem Rückgang der Sternentstehung.“

Zu Rudnicks Mitarbeitern an der KU gehören Doktoranden wie Kim Conger, deren Arbeit bei der Ausarbeitung des Förderantrags mitgewirkt hat, sowie Forscher im Grundstudium. Seine Co-Primärforscherin Rose Finn, Professorin für Physik und Astronomie am Siena College, wird ebenfalls Studenten beschäftigen und ausbilden.

Die Forscher werden astronomische Datensätze wie DESI Legacy Survey, WISE und GALEX-Bildgebung von rund 14.000 Galaxien verwenden. Weitere neue Beobachtungen werden vom Personal an beiden Standorten mit dem 0,7-m-Planewave-Teleskop von Siena durchgeführt, um neue Bilder von Galaxien zu erhalten, die mit einem benutzerdefinierten Filter ausgestattet sind, der über das Stipendium erworben werden kann. KU-Studenten können mit dem Siena-Teleskop aus der Ferne beobachten, wie sie es bereits durch einen gemeinsamen Kurs zur Beobachtungsastronomie in den Jahren 2021 und 2023 getan haben.

Die Arbeit wird auch Oberstufenschüler in Kansas und New Jersey umfassen, da das Stipendium ein Programm erweitert, das Rudnick vor Jahren begonnen hat, um Astronomiekurse auf Universitätsniveau in weiterführende Schulen zu bringen. Mit dem neuen Stipendium wird ein High-School-Astronomiekurs eingerichtet, der dem Siena College angeschlossen ist, und der Kurs wird erweitert, der bereits an der Lawrence High School in der Nähe des Lawrence-Campus der KU angeboten wird. Rudnicks Arbeit an diesem Kurs brachte ihm 2020 einen Community Engaged Scholarship Award der KU ein.

„Diese Mittel werden die Laufzeit des High-School-Programms bis 2026 verlängern“, sagte Rudnick. „In Zusammenarbeit mit Mitteln der KU konnten wir 11 MacBook Pros für die Schule kaufen. Da Studierende nur über iPads verfügen, die für die von ihnen durchzuführenden Forschungsaktivitäten nicht geeignet sind, erleichterte dieses Stipendium die Anschaffung von Computern, die ihre Forschung ermöglichen.“

Das Projekt verfüge nun über einen speziellen Laptopwagen für die Klasse, der es den Schülern ermögliche, ihre Forschungsprojekte durchzuführen, sagte er, und der Zustrom von Computern habe es den Organisatoren ermöglicht, die Klassengröße zu vergrößern.

„Früher betrugen die Klassengrößen an weiterführenden Schulen etwa 8 bis 10 Schüler“, sagte Rudnick. „Jetzt, zu Beginn des Jahres, haben wir 22 Studierende. Es handelt sich um ein bedeutendes Wachstum mit dem Ziel, die Klassengröße zu verdoppeln.“