Eine umfassende Erhebung des multiskalen Materie-Zyklus innerhalb von Galaxien

• Antragstellerin: Dr. Mélanie Chevance
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465964231

Galaxien evolvieren ständig, beeinflusst von dem Materie-Zyklus in ihnen: Gaswolken formieren sich und kollabieren, in ihnen entstehen Sterne, und durch den Einfluss von stellarem Feedback und Turbulenz werden Materie und Energie innerhalb des interstellaren Mediums neu verteilt. Die physikalischen Prozesse, die diesen Zyklus antreiben, spielen sich auf den kleinen Skalen von Molekülwolken (~100 pc) ab, aber bestimmen die Evolution ganzer Galaxien. Gleichzeitig beeinflusst die großmaßstäbliche Galaxienevolution über Raum und Zeit direkt die Umgebung der Gaswolken, aus denen Sterne entstehen. Es ist eine der großen, unbeantworteten Fragen der modernen Astrophysik, welche Prozesse diesen multiskalen Materie-Zyklus antreiben, von den kleinmaßstäblichen Molekülwolken, zu den großmaßstäblichen, Feedback-gesteuerten Ausflüssen, und was ihre quantitativen Charakteristiken sind. Um die treibenden Prozesse widerspruchsfrei zu modellieren bräuchten numerische Simulationen der Galaxienentstehung und -Entwicklung ein umfassendes Modell, das die Skalen von mehreren zehn Mpc bis hinunter zu ein paar AU über die gesamte Entwicklung des Universums hinweg abdeckt. Dies ist viel zu rechenintensiv. Nutzung von Physik-Modellen unterhalb der Auflösung löst das Problem, jedoch mangelt es an dringend benötigten Rahmenbedingungen, abhängig von der galaktischen Umgebung, durch Beobachtungen. Das fehlende Schlüsselelement ist die Quantifizierung der Masse- und Energieflüsse innerhalb von Galaxien. Dies war eine große Herausforderung, da die Beobachtung einer einzelnen Region zwangsweise nur eine Momentaufnahme des Materie-Zyklus ist. Mit diesem Emmy Noether Programm wird der PI den nächsten großen Schritt machen den Materie-Zyklus von Galaxien zu quantifizieren. Die physikalischen Prozesse, die diesen komplexen Zyklus antreiben, sind multiskal und um sie vollständig zu bestimmen braucht es den Synergismus zwischen hochauflösenden Himmelsdurchmusterungen über das elektromagnetischen Spektrum und hochmodernen Simulationen der Galaxienentstehung und -Entwicklung. Durch die Kombination einer beispiellosen Vielfalt an, in verschiedenen Wellenlängen vorhandenen, Beobachtungen einer großen Menge galaktischer Umgebungen wird der PI zum ersten Mal die aufeinanderfolgenden Schritte des Materie-Zyklus beschreiben, von der Ausbildung dichter Gaswolken aus dem diffusen interstellaren Medium, dem folgenden Kollaps, Sternentstehung und Zerstreuung durch stellares Feedback, das die Materie und Energie im diffusen Medium neu verteilt. Der PI wird die Eingabe- und Ausgabe-Energie, Masse- und Impulsflüsse für jeden dieser Schritte ermitteln, und somit den Materie-Zyklus innerhalb von Galaxien komplett definieren. Durch vergleichen dieser einzigartigen Messwerte mit Simulationen wird der PI die Teile der in Simulationen genutzten Modelle unterhalb der Auflösung identifizieren, die verbessert werden müssen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Australien, Frankreich, Kanada, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Guillermo A. Blanc; Professor Dr. Eric Emsellem, Ph.D.; Dr. Brent Groves; Dr. Annie Hughes; Professor Dr. Mark Krumholz; Professor Dr. Adam Leroy; Professorin Dr. Suzanne Madden; Dr. Jerome Pety; Professor Dr. Erik Rosolowsky, Ph.D.; Dr. Vadim Semenov