Ein internationales Wissenschaftlerteam unter Beteiligung des CNRS Terre & Univers hat einen bedeutenden Durchbruch im Verständnis von Kugelsternhaufen erzielt, jenen fast so alten Sternstrukturen wie das Universum selbst. Mithilfe numerischer Simulationen haben die Wissenschaftler die vollständige Entwicklung dieser Sternhaufen rekonstruiert und damit zur Aufklärung ihrer rätselhaften Entstehung und ihrer Eigenschaften bei der Geburt beigetragen.
Kugelsternhaufen: einzigartige kosmische Laboratorien
Kugelsternhaufen sind extrem dichte kugelförmige Ansammlungen, die bis zu mehrere Millionen durch die Schwerkraft gebundene Sterne enthalten können. Sie entstanden in den frühen Phasen des Universums und sind in den meisten Galaxien zu finden, auch in unserer.
Bild: ESO/INAF-VST/OmegaCAM
Die Milchstraße beherbergt heute etwa 160 Kugelsternhaufen, die als wahre kosmische Fossilien gelten und einen einzigartigen Einblick in die Bedingungen vor fast 13 Milliarden Jahren bieten. Ihre Untersuchung ermöglicht es Astrophysikern, die Entstehung von Galaxien und die Entwicklung des frühen Universums besser zu verstehen.
Trotz ihrer Bedeutung blieb die Dynamik von Kugelsternhaufen aufgrund ihrer extremen Komplexität lange Zeit unzureichend verstanden. Die Modellierung ihrer Entwicklung über 13 Milliarden Jahre erfordert nämlich die gleichzeitige Berücksichtigung:
- der gravitativen Wechselwirkungen zwischen allen Sternen;
- der gravitativen Effekte ihrer äußeren Umgebung, wie der Wirtsgalaxie, in der sie umlaufen;
- sowie der Sternentwicklung von der Geburt bis zum Tod der Sterne.
Diese Komplexität, kombiniert mit den Grenzen der verfügbaren Rechenressourcen, machte eine realistische Modellierung über kosmische Zeiträume hinweg bisher nahezu unmöglich.
Ein wissenschaftlicher und technologischer Durchbruch
Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelte das Team
ROLLIN', eine Serie von 25 N-Körper-Simulationen, die die Leistung des Supercomputers Jean-Zay (GENCI-IDRIS) nutzen. Mit fast 350.000 Rechenstunden auf GPUs ermöglichten diese Simulationen die Modellierung von Haufen mit 250.000 bis 1,5 Millionen Sternen über einen Zeitraum von bis zu 13 Milliarden Jahren. Zu den ehrgeizigsten, die je durchgeführt wurden, zeigen sie, dass die heute beobachteten Kugelsternhaufen die Überlebenden einer ursprünglichen Population sind, die durch die kombinierten Effekte der Gravitationsdynamik und der Sternentwicklung tiefgreifend verändert wurde.
Dank dieser Simulationen konnten die Wissenschaftler die Entwicklung der Kugelsternhaufen seit ihrer Entstehung nachvollziehen: Bei ihrer Geburt müssen die Haufen viel konzentrierter (dichter) gewesen sein, als wir heute nach 13 Milliarden Jahren beobachten. Darüber hinaus deutet die Studie darauf hin, dass die Haufen mit einem hohen Drehimpuls (innere Rotation) entstehen müssen, um die heute beobachtete Menge an Drehimpuls zu erklären. Diese beiden Informationen stellen Einschränkungen für die Eigenschaften der Gaswolken dar, aus denen die Haufen im frühen Universum hervorgingen.
Eine Öffnung zu grundlegenden Fragen der Astronomie
Der Rechenaufwand für diese Simulationen war beträchtlich: Die anspruchsvollste Simulation erforderte etwa 400 Tage Rechenzeit. Dieser Durchbruch ebnet nun den Weg für die Untersuchung anderer grundlegender Fragen der Astronomie, weit über die bloße Entstehung von Sternhaufen hinaus.
Simulation eines Kugelsternhaufens mit 1,5 Millionen Sternen Kugelsternhaufen sind insbesondere bevorzugte Orte für die Entstehung von Schwarzen Löchern, die aus dem Tod massereicher Sterne hervorgehen. Die intensiven gravitativen Wechselwirkungen in diesen sehr dichten Umgebungen können zur Bildung von Doppel-Schwarzen-Loch-Systemen und sogar zu Verschmelzungen führen – ein Schlüsselmechanismus zur Erklärung des Ursprungs der im Universum beobachteten massereichen Schwarzen Löcher.
Darüber hinaus ist es wichtig zu verstehen, wie Kugelsternhaufen allmählich ihre Sterne verlieren, um ihre Auflösung in Galaxien zu untersuchen und die Geschichte der Galaxienentstehung selbst zu rekonstruieren. Zukünftige Arbeiten auf der Grundlage dieser Simulationen werden es ermöglichen, diese Fragen zu vertiefen.
Quelle: CNRS INSU