Forschung im HLRN-Verbund 2011

194Wie Turbulenz in Galaxienhaufen entstehtNumerical simulations of an infalling subcluster: A comparative studyW. Schmidt, J. Schulz, E. Lévêque, Institut fürAstrophysik, Georg-August-Universität GöttingenKurzgefasst• Galaxienhaufen enthalten große Mengen anGas, das durch verschiedene Vorgänge durcheinandergewirbeltwerden kann.• Das passiert zum Beispiel, wenn ein kleiner Galaxienhaufenin einen großen Haufen durch dessenSchwerkraft hineingezogen wird.• Wir untersuchen in einem stark idealisierten Modell,wie dabei Turbulenz entsteht und welcheUnterschiede bei der Verwendung von verschiedenenBerechnungsmethoden auftreten. Daskann uns Hinweise darauf geben, wie zuverlässigdiese Methoden sind.Wasserstoffgas bildet innerhalb von Galaxien dasRohmaterial, aus dem Sterne entstehen. Aberauch außerhalb der Galaxien kommen große Gasmengenvor. In Galaxienhaufen (engl. cluster), alsoAnsammlungen von Galaxien, die durch dieGravitation der sogenannten Dunklen Materie zusammengehaltenwerden, gibt es das Intracluster-Medium, das sich auf Grund seiner hohen Temperaturdurch Röntgenstrahlung bemerkbar macht.Außerdem hat man Hinweise gefunden, dass dasGas in Galaxienhaufen turbulent ist. Unter Turbulenzversteht man im weiteren Sinne stark fluktuierende,ungeordnete Strömungsbewegungen. AlsUrsache für die Turbulenz im Intracluster-Mediumkommen Verschmelzungen von Galaxienhaufen inFrage.In unserem Projekt beschäftigen wir uns mit einemSpezialfall der Verschmelzung von zwei Galaxienhaufen,nämlich des Sturzes eines kleinenHaufens (engl. subcluster) in einen viel größeren.Das ist in gewisser Hinsicht dem Sturz eines kleinenHimmelskörpers, wie etwa eines Asteroiden,auf einen größeren, z. B. einen Planeten, vergleichbar.Nur gibt es in unserem Fall natürlichkeine festen Körper, sondern gravitativ gebundeneGasmassen. Uns geht es dabei nicht darum,alle Details möglichst genau zu berücksichtigen,sondern wir studieren grundlegende Eigenschaftendieses Vorganges in einem stark vereinfachtenModell und vergleichen die Ergebnisse, dieaus unterschiedlichen Berechnungsmethoden folgen.Dementsprechend kommen individuelle Galaxienim Modell nicht vor. Vielmehr konzentrierenwir uns auf das Gas in den Haufen. Der Subclusterwird durch einen anfangs kugelförmigen Gasballbeschrieben, der durch ein bestimmtes Gravitationspotentialgebunden ist. Den Sturz in dengroßen Cluster hinein beschreiben wir durch einumgebendes Medium konstanter Dichte, das diesenGasball mit einer Geschwindigkeit umströmt,die der Fallgeschwindigkeit entspricht. Wir bewegenuns also mit dem Subcluster mit und das Gasdes großen Clusters erscheint uns damit als eineArt Fahrtwind. Der Trick mit dem mitbewegtenBezugssystem ermöglicht es, zu jedem Zeitpunktnur einen relativ kleinen Ausschnitt der Umgebungdes Subclusters zu berechnen. Dieses Modell wirdvon uns in verschiedene Codes implementiert, diefür strömungsmechanische Berechnungen in derAstrophysik gebräuchlich sind.Ein flexibler und weit verbreiteter Code, der voneinem Gitterverfahren Gebrauch macht, ist Enzo.Unter einem Gitterverfahren versteht man, dassdas Raumgebiet, in dem die Strömung berechnetwerden soll, in kleine würfelförmige Gitterzellenunterteilt wird. Jeder Zelle sind bestimmte Werteder strömungsmechanischen Variablen (die Dichtedes Gases, die Geschwindigkeit der Strömung,etc.) zugeordnet, deren zeitliche und räumlicheVeränderung durch die Eulerschen Gleichungenbeschrieben wird. In manchen Raumgebieten tretennur über relativ große Abstände hinweg merklicheÄnderungen der Variablen auf, während diesein anderen Gebieten stark fluktuieren können.Daher wird die Größe der Gitterzellen dynamischan die Strömung angepasst. Diese Art der Berechnungnennt man adaptive Gitterverfeinerung. UnsereArbeitsgruppe hat eine spezielle Methode fürdie Verfeinerung der Gitter in Simulationen turbulenterStrömungen mit starken Kompressionseffektenentwickelt [1], die auf der Bestimmung statistischerSchwankungen der Vortizität (ein Maß fürdie Intensität von Wirbeln) und der Kompressionsrateberuht. In einer früheren Studie hat sich herausgestellt,dass diese Methode für das oben beschriebeneModell sehr gut funktioniert [2]. Die Abbildung1 veranschaulicht die zeitliche Entwicklungder Strömung im Umfeld des Subclusters anhanddes Betrages der Vortizität in einer aktuellen Simulationmit 256 Prozessorkernen.Im weiteren Verlauf des Projekts werden wir ähnlicheSimulationen mit Castro ausführen, einem amLawrence Berkeley National Laboratory entwickeltenCode, der ein ausgeklügelteres Verfahren zurLösung der Eulerschen Gleichungen verwendet.Darüberhinaus planen wir einen Vergleich der Ergebnissemit dem Code Gadget. Anders als Castroberechnet Gadget die Bewegungen einer VielzahlPhysik