On the redshift evolution of the spin parameter in cosmological simulations

Das kosmische Karussell: Warum Galaxien nicht einfach nur „drehen“

Stellen Sie sich das Universum wie einen riesigen, kosmischen Spielplatz vor. Auf diesem Spielplatz gibt es Milliarden von „Drehscheiben“ – das sind die Dunkle-Materie-Halos. Man kann sie sich wie unsichtbare, gigantische Wirbel vorstellen, die im Weltraum schweben. In der Mitte dieser Wirbel sammeln sich Gase und Staub, die schließlich zu den Sternen und Galaxien werden, die wir heute am Nachthimmel sehen.

Jetzt kommt der Clou: Diese Wirbel drehen sich alle unterschiedlich schnell. Manche wirbeln wie ein sanfter Windhauch, andere wie ein heftiger Hurrikan. In der Wissenschaft nennt man diese „Drehgeschwindigkeit“ den Spin-Parameter.

Das Problem: Die Zeitmaschine fehlt

Bisher wussten Astronomen zwar, wie schnell diese Wirbel heute drehen, aber sie hatten ein Problem: Sie wussten nicht genau, wie sich dieses Drehen über die Milliarden Jahre der Erdgeschichte hinweg verändert hat. Es war so, als würde man ein Video eines Karussells sehen, das plötzlich bei Minute 5 stehen bleibt – man weiß nicht, ob es vorher langsamer war oder ob es später schneller wird.

Manche Forscher dachten, die Geschwindigkeit bliebe immer gleich. Andere waren sich unsicher, ob die Wirbel durch Zusammenstöße (wie zwei Autos, die ineinanderkrachen) schneller oder langsamer werden.

Was die Forscher gemacht haben: Das kosmische Labor

Ein Team von Wissenschaftlern hat nun eine Art „Super-Computersimulation“ gebaut. Sie haben das Universum digital nachgebaut und die Zeit vorspulen lassen – von der Frühzeit des Universums (vor etwa 12 Milliarden Jahren) bis heute.

Sie haben dabei zwei verschiedene „Messgeräte“ benutzt, um die Drehung zu messen (die Wissenschaftler nennen sie $\lambda$ und $\lambda'$). Das ist so, als würde man versuchen, die Geschwindigkeit eines Kreisel zu messen: Man kann entweder schauen, wie schnell er sich im Kreis bewegt, oder man kann messen, wie viel Energie er hat, um nicht umzukippen. Je nachdem, welches Messgerät man nimmt, bekommt man leicht unterschiedliche Ergebnisse.

Die Entdeckung: Ein Tanz mit zwei Rhythmen

Die Forscher haben etwas Spannendes herausgefunden: Die Drehung verändert sich nicht einfach nur, sie folgt zwei verschiedenen „Tänzen“:

1. Der stetige Tänzer ($\lambda$): Eine Art Messmethode zeigt, dass die Wirbel über die Jahrmillionen ganz gleichmäßig und stetig immer ein bisschen schneller geworden sind. Wie ein Karussell, das ganz langsam, aber unaufhaltsam an Fahrt gewinnt.
2. Der launische Tänzer ($\lambda'$): Die andere Messmethode zeigt ein viel wilderes Verhalten. Die Wirbel wurden erst schneller, erreichten vor etwa 7 bis 10 Milliarden Jahren ihren Höhepunkt und wurden dann wieder ein klein wenig langsamer. Es ist wie eine Achterbahnfahrt mit einem Gipfel und einem anschließenden sanften Abstieg.

Warum ist das wichtig? (Die „Backstein“-Analogie)

Warum machen sich Wissenschaftler diese Mühe? Stellen Sie sich vor, Sie wollen ein Haus bauen (das ist die Simulation einer Galaxie). Wenn Sie wissen wollen, wie stabil das Haus wird, müssen Sie wissen, wie der Boden unter Ihnen beschaffen ist.

Die Drehung der Dunklen Materie ist der „Boden“ für die Galaxien. Wenn wir wissen, wie schnell die Wirbel zu verschiedenen Zeiten gedreht haben, können wir viel präziser vorhersagen, wie groß Galaxien sind, wie sie ihre Sterne bilden und wie sie im Laufe der Zeit aussehen.

Das Ergebnis der Studie ist wie ein „Rezeptbuch“: Die Forscher haben mathematische Formeln (die „Fitting Functions“) aufgeschrieben. Wenn ein anderer Wissenschaftler nun eine Galaxie im frühen Universum berechnen will, muss er nicht mehr raten. Er schlägt einfach in diesem „Rezeptbuch“ nach und weiß genau, mit wie viel Schwung er rechnen muss.

Zusammenfassend:

Die Forscher haben herausgefunden, dass das Universum nicht einfach nur „immer gleich“ rotiert. Die unsichtbaren Wirbel, die das Fundament für unsere Galaxien bilden, haben eine eigene, komplexe Geschichte der Beschleunigung und Verlangsamung, die wir nun zum ersten Mal mathematisch genau beschreiben können.