Einbindung von Metallen in einen bereits entwickelten dreidimensionalen Strahlungstransportcode zu Detailuntersuchungen der Reionisation des Universums

• Antragsteller: Professor Dr. Adalbert Wilhelm Alois Pauldrach (†)
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238098171

Die Beantwortung der Frage, wie das Universum in seinen gegenwärtigen Zustand kam und was die Natur seines Inhalts ist, erfordert stetig neue physikalische Konzepte und Methoden. So ist eine räumlich angepasste konsistente Behandlung der Vorgänge bei der Reionisation des intergalaktischen Mediums zur Diagnostik der Strukturbildung im frühen Universum unverzichtbar. Eine konsistente Behandlung schließt dabei nicht nur die ersten Sterne, sondern auch die darauf folgenden Generationen von Clustern massereicher Sterne, die bedingt durch die zeitlich schnell anwachsenden Metallizität sich deutlich vor dem Abschluss des Wasserstoff-Reionisationsprozesses bei einer Rotverschiebung von z > 6 ausbildeten ein.In diesem Projekt soll als Schwerpunkt der Forschung in diesem Bereich die Konsistenz bei der Beschreibung der physikalischen Abläufe bei der Reionisation im frühen Universum erheblich verbessert werden, und zwar in zwei wichtigen Punkten: dem Strahlungstransport in 3~Dimensionen bei der Simulation der Ionisationsvorgänge des intergalaktischen Mediums und der realistischen Berechnung der spektralen Energieverteilungen früher Generationen von Clustern massereicher Sterne. Das Hauptaugenmerk dieses Projektes liegt somit auf dem Aspekt der Erweiterung eines bereits entwickelten 3-dimensionalen Multi-Frequenz Strahlungstransportcodes, der auf der Methode des ``ray-tracing'' basiert. Dabei wird vor allem die Berücksichtigung des Einflusses von Metallen und deren atomarer Struktur sowie deren zeitabhängigem Ionisationsverhalten und eine geometrisch aufgelöste Struktur, die die räumliche Anordnung und Zusammensetzung der Strahlungsquellen und die Dichteverteilung des Mediums einschließt, im Mittelpunkt stehen. Mit Hilfe dieses Werkzeugs, das in dieser Form bislang nicht zur Verfügung steht, sollen auf verschiedenen Skalen präzise Simulationen des zeitlichen Ablaufs der verschiedenen Phasen der Reionisation durchgeführt werden. Den zentralen Punkt bei der Verfolgung der Entwicklungsstufen dieses Prozesses stellen dabei Detailstudien der ``pre-overlap''-Phase dar, auf deren Basis die Gesamtentwicklung über das Zusammenwachsen der einzelnen ionisierten Regionen nachvollzogen werden soll. Das Ziel besteht dabei allerdings nicht ausschließlich im Nachvollziehen der Prozesse, die zur Reionisation führten, sondern auch darin, im Vergleich mit beobachteten Daten potentielle Diagnosemethoden zu erkennen, die die Natur der Ionisationsquellen offenbaren. Für dieses Vorgehen sind theoretische Vorhersagen über die spektralen Energieverteilungen (SEDs) massereicher Sterne unerlässlich - diesbezüglich wurde in bisherigen Simulationen lediglich auf die Annahme von ``black-body''-Strahlungsquellen zurückgegriffen. Auf der Grundlage eigener numerischer Simulationen sollen in diesem Projekt somit auch realistische SEDs, die die zeitlich schnell anwachsende Metallizität im frühen Universum berücksichtigen, systematisch berechnet und als Strahlungsquellen verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen