Οι αστροφυσικοί δημιούργησαν μια προσομοίωση «μηχανής του χρόνου» για να παρατηρήσουν τον κύκλο ζωής των προγόνων των γαλαξιακών πόλεων

Πολλές διαδικασίες στην αστροφυσική χρειάζονται πολύ χρόνο, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη μελέτη της εξέλιξής τους. Για παράδειγμα, ένα αστέρι όπως ο ήλιος μας είναι περίπου 10 δισεκατομμυρίων ετών και οι γαλαξίες εξελίσσονται σε δισεκατομμύρια χρόνια.

Ένας τρόπος με τον οποίο οι αστροφυσικοί το προσεγγίζουν αυτό είναι κοιτάζοντας διαφορετικά διαφορετικά αντικείμενα για να τα συγκρίνουν σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης. Μπορούν επίσης να κοιτάξουν μακρινά αντικείμενα για να κοιτάξουν αποτελεσματικά πίσω, λόγω του χρόνου που χρειάζεται για να φτάσει το φως στα τηλεσκόπια μας. Για παράδειγμα, αν κοιτάξουμε ένα αντικείμενο 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, το βλέπουμε όπως ήταν πριν από 10 δισεκατομμύρια χρόνια.

Τώρα, για πρώτη φορά, οι ερευνητές δημιούργησαν προσομοιώσεις που αναδημιουργούν τον πλήρη κύκλο ζωής ορισμένων από τις μεγαλύτερες ομάδες γαλαξιών που παρατηρήθηκαν στο μακρινό σύμπαν πριν από 11 δισεκατομμύρια χρόνια, σύμφωνα με μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 2 Ιουνίου 2022 στο περιοδικό. φυσική αστρονομία.

Οι κοσμικές προσομοιώσεις είναι απαραίτητες για τη μελέτη του πώς το σύμπαν έγινε όπως είναι σήμερα, αλλά πολλές από αυτές συνήθως δεν ταιριάζουν με αυτό που παρατηρούν οι αστρονόμοι μέσω των τηλεσκοπίων. Τα περισσότερα έχουν σχεδιαστεί για να ταιριάζουν με το πραγματικό σύμπαν μόνο με στατιστική έννοια. Από την άλλη πλευρά, οι περιορισμένες κοσμικές προσομοιώσεις έχουν σχεδιαστεί για να αναπαράγουν τις δομές που παρατηρούμε πραγματικά στο σύμπαν. Ωστόσο, οι περισσότερες τρέχουσες προσομοιώσεις αυτού του τύπου έχουν εφαρμοστεί στο τοπικό μας σύμπαν, που σημαίνει ότι είναι κοντά στη Γη, αλλά ποτέ δεν εφαρμόστηκαν σε παρατηρήσεις του μακρινού σύμπαντος.

Μια ομάδα ερευνητών, υπό την ηγεσία του Kavli Institute of Physics and Mathematics of Project Universe, ερευνητή και πρώτο συγγραφέα Metin Ata και τον αναπληρωτή καθηγητή του έργου Khe-Jan Lee, ενδιαφερόταν για μακρινές δομές όπως τα τεράστια σμήνη γαλαξιών, που είναι οι πρόγονοι του σήμερα. Τα σμήνη γαλαξιών προτού συνενωθούν υπό την επίδραση της βαρύτητάς τους. Διαπίστωσαν ότι οι τρέχουσες μελέτες απομακρυσμένων αρχέγονων συστάδων ήταν μερικές φορές υπεραπλουστευμένες, που σημαίνει ότι διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας απλά μοντέλα και όχι προσομοιώσεις.

Στιγμιότυπα οθόνης από την προσομοίωση δείχνουν (πάνω) την κατανομή της ύλης που αντιστοιχεί στην κατανομή των γαλαξιών που παρατηρείται σε χρόνο ταξιδιού φωτός 11 δισεκατομμυρίων ετών (όταν το σύμπαν ήταν μόλις 2,76 δισεκατομμυρίων ετών ή το 20% της τρέχουσας ηλικίας του) και (κάτω ) η κατανομή της ύλης στην ίδια περιοχή μετά από 11 δισεκατομμύρια χρόνια Ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός περίπου. Πίστωση: Ata et al.

«Θέλαμε να προσπαθήσουμε να αναπτύξουμε μια πλήρη προσομοίωση του μακρινού πραγματικού σύμπαντος για να δούμε πώς ξεκίνησαν οι δομές και πώς τελείωσαν», είπε ο Atta.

Το αποτέλεσμά τους ήταν COSTCO (COsmos Constrained Field Simulation).

Μου είπε ότι η ανάπτυξη μιας προσομοίωσης μοιάζει πολύ με την κατασκευή μιας μηχανής του χρόνου. Δεδομένου ότι το φως από το μακρινό σύμπαν φτάνει στη Γη μόνο τώρα, τα γαλαξιακά τηλεσκόπια που εντοπίζετε σήμερα αποτελούν στιγμιότυπο του παρελθόντος.

«Είναι σαν να βρίσκεις μια παλιά ασπρόμαυρη φωτογραφία του παππού σου και να κάνεις ένα βίντεο με τη ζωή του», είπε.

Με αυτή την έννοια, οι ερευνητές τράβηξαν στιγμιότυπα «νεαρών» προγονικών γαλαξιών στο σύμπαν και στη συνέχεια προχώρησαν γρήγορα στην ηλικία τους για να μελετήσουν πώς σχηματίστηκαν τα σμήνη γαλαξιών.

Το φως από τους γαλαξίες που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές ταξίδεψε 11 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά για να φτάσει σε εμάς.

Η μεγαλύτερη πρόκληση ήταν να ληφθεί υπόψη το περιβάλλον μεγάλης κλίμακας.

“Αυτό είναι πολύ σημαντικό πράγμα για την τύχη αυτών των δομών είτε είναι απομονωμένες είτε σχετίζονται με μια μεγαλύτερη δομή. Εάν δεν λάβετε υπόψη το περιβάλλον, θα λάβετε εντελώς διαφορετικές απαντήσεις. Μπορέσαμε να πάρουμε το μεγάλο – το περιβάλλον να λαμβάνεται υπόψη συνεχώς, γιατί έχουμε πλήρη προσομοίωση, και γι’ αυτό η πρόβλεψή μας είναι πιο σταθερή.”

Ένας άλλος σημαντικός λόγος για τον οποίο οι ερευνητές δημιούργησαν αυτήν την προσομοίωση είναι να δοκιμάσουν το Καθιερωμένο Μοντέλο της Κοσμολογίας, το οποίο χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη φυσική του σύμπαντος. Προβλέποντας την τελική μάζα και την τελική κατανομή των δομών σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία, οι ερευνητές μπορούν να αποκαλύψουν ασυνέπειες που δεν είχαν ανακαλυφθεί προηγουμένως στην τρέχουσα κατανόησή μας για το σύμπαν.

Χρησιμοποιώντας τις προσομοιώσεις τους, οι ερευνητές μπόρεσαν να βρουν στοιχεία ότι υπάρχουν ήδη τρεις πρωτογαλαξιακές ομάδες και ότι μια δομή είναι διαταραγμένη. Επιπλέον, κατάφεραν να εντοπίσουν πέντε άλλες δομές που σχηματίζονται συνεχώς στις προσομοιώσεις τους. Αυτό περιλαμβάνει το πρωτο-υπερσμήνος Hyperion, το μεγαλύτερο και παλαιότερο πρωτο-υπερσμήνος που είναι γνωστό σήμερα που έχει μάζα 5.000 φορές μεγαλύτερη από τη δική μας.[{” attribute=””>Milky Way galaxy, which the researchers found out it will collapse into a large 300 million light year filament.

Their work is already being applied to other projects including those to study the cosmological environment of galaxies, and absorption lines of distant quasars to name a few.

Details of their study were published in Nature Astronomy on June 2.

Reference: “Predicted future fate of COSMOS galaxy protoclusters over 11 Gyr with constrained simulations” by Metin Ata, Khee-Gan Lee, Claudio Dalla Vecchia, Francisco-Shu Kitaura, Olga Cucciati, Brian C. Lemaux, Daichi Kashino and Thomas Müller, 2 June 2022, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-022-01693-0