Wiele procesów w astrofizyce trwa bardzo długo, co utrudnia badanie ich ewolucji. Na przykład gwiazda taka jak nasze Słońce ma około 10 miliardów lat, a galaktyki ewoluują przez miliardy lat.
Jednym ze sposobów, w jaki astrofizycy podchodzą do tego, jest przyglądanie się różnym obiektom w celu porównania ich na różnych etapach rozwoju. Mogą również patrzeć na odległe obiekty, aby skutecznie spojrzeć wstecz, ze względu na czas potrzebny na dotarcie światła do naszych teleskopów. Na przykład, jeśli spojrzymy na obiekt oddalony o 10 miliardów lat świetlnych, zobaczymy go takim, jakim był 10 miliardów lat temu.
Teraz po raz pierwszy naukowcy stworzyli symulacje, które odtwarzają pełny cykl życia niektórych z największych grup galaktyk obserwowanych w odległym wszechświecie 11 miliardów lat temu, według nowego badania opublikowanego 2 czerwca 2022 r. w czasopiśmie. astronomia naturalna.
Symulacje kosmiczne są niezbędne do badania tego, jak wszechświat stał się taki, jaki jest dzisiaj, ale wiele z nich zwykle nie pasuje do tego, co astronomowie obserwują przez teleskopy. Większość z nich została zaprojektowana tak, aby pasowała do rzeczywistego wszechświata tylko w sensie statystycznym. Z drugiej strony ograniczone symulacje kosmiczne mają na celu odtworzenie struktur, które faktycznie obserwujemy we wszechświecie. Jednak większość obecnych symulacji tego typu została zastosowana do naszego wszechświata lokalnego, co oznacza, że jest on blisko Ziemi, ale nigdy nie zastosowano do obserwacji odległego wszechświata.
Zespół naukowców kierowany przez badacza z Instytutu Fizyki i Matematyki Kavli Project Universe i pierwszego autora Metina Atę oraz profesora stowarzyszonego projektu Khe-Jan Lee, był zainteresowany odległymi strukturami, takimi jak masywne gromady galaktyk, które są dzisiejszymi przodkami. Gromady galaktyk, zanim gromadzą się pod wpływem grawitacji. Odkryli, że obecne badania odległych gromad pierwotnych były czasami nadmiernie uproszczone, co oznacza, że były prowadzone przy użyciu prostych modeli, a nie symulacji.
Zrzuty ekranu z symulacji pokazują (na górze) rozkład materii odpowiadający rozkładowi galaktyk obserwowanych w czasie podróży światła wynoszącym 11 miliardów lat (kiedy Wszechświat miał zaledwie 2,76 miliarda lat lub 20% swojego obecnego wieku) oraz (na dole ) rozkład materii w tym samym regionie po 11 miliardach lat, około miliarda lat świetlnych. Źródło: Ata i in.
„Chcieliśmy spróbować opracować kompletną symulację odległego rzeczywistego wszechświata, aby zobaczyć, jak zaczynają się i jak kończą struktury” – powiedział Atta.
Ich wynikiem było COSTCO (COsmos Constrained Field Simulation).
Powiedział mi, że tworzenie symulacji jest bardzo podobne do budowania wehikułu czasu. Ponieważ światło z odległego wszechświata dociera do Ziemi dopiero teraz, teleskopy galaktyczne, które dostrzegasz dzisiaj, są migawką przeszłości.
„To jak znalezienie starego czarno-białego zdjęcia dziadka i nagranie filmu z jego życia” – powiedział.
W tym sensie naukowcy wykonali zdjęcia „młodych” galaktyk przodków we wszechświecie, a następnie szybko podnieśli ich wiek, aby zbadać, jak formowały się gromady galaktyk.
Światło z galaktyk, których użyli naukowcy, przebyło 11 miliardów lat świetlnych, aby do nas dotrzeć.
Największym wyzwaniem było uwzględnienie wielkoskalowego środowiska.
„To bardzo ważna rzecz dla losu tych struktur, niezależnie od tego, czy są odizolowane, czy związane z większą strukturą. Jeśli nie weźmiesz pod uwagę środowiska, otrzymasz zupełnie inne odpowiedzi. Udało nam się wziąć duże -skaluj środowisko stale pod uwagę, ponieważ mamy pełną symulację, a to dlatego nasza predykcja jest bardziej stabilna.”
Innym ważnym powodem, dla którego naukowcy stworzyli tę symulację, jest przetestowanie Modelu Standardowego kosmologii, który służy do opisu fizyki wszechświata. Przewidując ostateczną masę i ostateczne rozmieszczenie struktur w określonej lokalizacji, naukowcy mogą ujawnić nieodkryte wcześniej niespójności w naszym obecnym zrozumieniu wszechświata.
Korzystając z symulacji, naukowcy byli w stanie znaleźć dowody na to, że istnieją już trzy grupy protogalaktyczne, a jedna struktura jest zaburzona. Co więcej, byli w stanie zidentyfikować pięć innych struktur, które stale formują się w ich symulacjach. Obejmuje to proto-supergromadę Hyperion, największą i najstarszą znaną dziś proto-supergromadę, która ma masę 5000 razy większą od naszej gromady.[{” 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
