Als Resultat einer kosmologischen Simulation erhät man zunächst nur -zig Gigabyte an Daten, Zahlen über Zahlen in Dateien verpackt. Doch wie sieht denn nun eigentlich so ein Galaxienhaufen einer kosmologischen Simulation aus, der irgendwo in diesen Daten steckt?

Zu sehen ist ein Auschnitt aus dem Endergebnis einer kosmologischen Simulation (genauer: eine Projektion in die x-y-Ebene), mit einer Kantenlänge von mehreren Millionen Lichtjahren, zentriert auf einen Galaxienhaufen. Teilchen in sehr dichten Umgebungen sind hell dargestellt, in weniger dichten Umgebungen haben sie eine dunklere Farbe. In der Simulation gibt es nur dunkle Materie, die Farbe ist also willkürlich ausgewählt zur Verdeutlichung des Dichtekontrasts. Die vielen kleinen hellen Objekte entsprechen den Subhalos, auch Satellitengalaxien genannt, die das Zentrum des Haufens umkreisen. Früher oder später werden sie mit dem Hauptobjekt, dem Haupthalo, verschmelzen, so wie viele andere Subhalos vor ihnen.

Was passiert mit den Teilchen eines Satelliten, wenn er durch Gezeitenkräfte auseinandergerissen wird?

Dargestellt ist hier die räumliche Verteilung der Teilchen einer Satellitengalaxie aus einer kosmologischen Simulation. Weiße und hellgraue Teilchen bilden den Satelliten, während die blauen Teilchen nicht mehr zum Satelliten gehören - sie wurden zu einem früheren Zeitpunkt aus dem Satelliten herausgerissen und bilden nun das "Trümmerfeld" der Satellitengalaxie.

Bild erstellt mit IDL's xplot3D.

Satellitengalaxien, auch Subhalos genannt, bewegen sich im Dunkle-Materie-Halo ihrer Hauptgalaxie. Welche Form hat nun so ein Halo? Ist er kugelförmig oder eher wie ein Ellipsoid (z.B. ein "Football") geformt?
Um das herauszufinden, habe ich die Dichte und das Potential der Teilchen im Haupthalo bestimmt.

Die Bilder zeigen eine Auswahl von Halo-Teilchen mit bestimmten Eigenschaften: in der oberen Reihe sind Teilchen dargestellt, die einen bestimmten Potentialwert haben; in der unteren Reihe sieht man Teilchen, deren Umgebung eine Dichte in einem bestimmten Bereich aufweist. Die "dünneren" und "dichteren" Bereiche des Halos sind also abgeschnitten.
Von links nach rechts sieht man verschiedene Projektionen desselben Objektes. Die Farben kodieren wieder den Dichtekontrast.

Sehr schön ist zu sehen, dass mit einer Potentialgrenze (obere Reihe) eine glattere Form zustande kommt als mit Hilfe des Dichtekriteriums. Die Ursache liegt darin, dass das Potential praktisch das Integral der Dichte ist - und damit hat es einen wesentlich ruhigeren Verlauf.
Der hier dargestellte Dunkle-Materie-Halo einer Hauptgalaxie, genauer gesagt eigentlich eines Galaxienhaufens, ist kein Einzelfall: all meine Haupthalos haben solche ellipsoidale Gestalt, wobei die Stärke der Elliptizität bzw. Triaxialität von Halo zu Halo variiert.

Auf ihrem Weg um das Zentrum der Hauptgalaxie verlieren die Satellitengalaxien immer mehr dunkle Materie, Sterne, Gas und Staub bis sie sich schließlich ganz auflösen. Wie könnte man diese Satellitenströme illustrieren?

Hier sieht man eine Illustration einer Scheibengalaxie (Mitte) mit Zwerggalaxien, die auf ihren Bahnen Materie verlieren und schöne Satellitenströme oder Gezeitenarme bilden. Jeder Satellit ist in einer eigenen (willkürlichen) Farbe dargestellt.

Als Inspiration für die Galaxie diente ein Bild der Andromeda-Galaxie vom GALEX-Team, Caltech, NASA (z.B.: APOD M31); die Satelliten sind völlig fiktiv eingezeichnet. In Wirklichkeit würden die Gezeitenarme auch selten so dünn bleiben, sondern sich mit der Zeit immer mehr verbreitern und über den ganzen Raum verteilen.

Wie sehen die Gezeitenarme einer Satellitengalaxie in einer kosmologischen Simulation aus? Kann man die Teilchen der beiden Arme unterscheiden?

Dargestellt ist hier eine Reihe von Bildern zu unterschiedlichen Zeiten einer kosmologischen Simulation, entsprechend einer Rotverschiebung von z = 0.315 (oben links) bis heute (unten rechts). Jedes Bild zeigt die Teilchen einer einzigen Satellitengalaxie. Das Zentrum des zugehörigen Haupthalos befindet sich jeweils in der Mitte des Bildes.
Die Teilchen, die die Satellitengalaxie bilden, sind grau markiert. Blaue Teilchen gehören zum voraneilenden Arm, während die roten Teilchen den nachfolgenden Schweif bilden. Je dunkler ein Teilchen dargestellt ist, umso früher wurde es dem Satelliten entrissen. Der Farbbalken im oberen Bereich gibt die Skala an: ganz dunkle Teilchen haben den Satelliten schon vor 7.9 Milliarden Jahren verlassen!
Die schwarz-graue Linie kennzeichnet die Bahn der Satellitengalaxie. Alle Bilder zeigen die Projektion der Teilchenpositionen vom 3D-Raum in eine Ebene (die y-z-Ebene der Simulationsbox).

Wenn eine Satellitengalaxie dem Gravitationsfeld einer Hauptgalaxie ausgesetzt ist, dann reißen die Gezeitenkräfte Materie an zwei Seiten heraus, so dass sich zwei Gezeitenarme bilden: einer eilt voraus, der andere läuft hinterher. Ich habe verschiedene Methoden ausprobiert, um Teilchen als "vorauseilend" oder "hinterherlaufend" zu markieren. Wie man sieht, scheint die hier verwendete Methode gut zu funktionieren - blaue und rote Teilchen bilden eindeutig zwei getrennte Schweife! :-)