Forskere lager «tidsmaskin»-simuleringer som studerer livssyklusen til forfedres galaksebyer.
Mange prosesser innen astrofysikk tar veldig lang tid, noe som gjør utviklingen deres vanskelig å studere. For eksempel har en stjerne som solen vår en levetid på rundt 10 milliarder år og galakser utvikler seg i løpet av milliarder av år.
En måte astrofysikere takler dette på er ved å se på forskjellige objekter for å sammenligne dem på forskjellige stadier av evolusjonen. De kan også se på fjerne objekter for effektivt å se tilbake i tid, på grunn av hvor lang tid lyset tok å reise for å nå teleskopene våre. For eksempel, hvis vi ser på et objekt 10 milliarder lysår unna, ser vi det slik det var for 10 milliarder år siden.
Nå, for første gang, har forskere laget simuleringer som direkte gjenskaper hele livssyklusen til noen av de største samlingene av galakser observert i det fjerne universet for 11 milliarder år siden, rapporterer en ny studie publisert 2. juni 2022 i tidsskriftet Natur astronomi.
Kosmologiske simuleringer er avgjørende for å studere hvordan universet ble den formen det er i dag, men mange stemmer ikke typisk med det astronomer observerer gjennom teleskoper. De fleste er designet for å matche det virkelige universet kun i statistisk forstand. Begrensede kosmologiske simuleringer er på den annen side designet for å direkte reprodusere strukturene vi faktisk observerer i universet. Imidlertid har de fleste eksisterende simuleringer av denne typen blitt brukt på vårt lokalunivers, altså nær Jorden, men aldri for observasjoner av det fjerne universet.
Et team av forskere, ledet av Kavli Institute for Physics and Mathematics of the Universe Project Researcher og førsteforfatter Metin Ata og prosjektassistent Khee-Gan Lee, var interessert i fjerne strukturer som massive galakseprotoklynger, som er forfedre til dagens galaksehoper før de kunne klumpe seg under sin egen tyngdekraft. De fant at nåværende studier av fjerne protokluster noen ganger ble forenklet, noe som betyr at de ble gjort med enkle modeller og ikke simuleringer.
Skjermbilder fra simuleringen viser (øverst) fordelingen av materie som tilsvarer den observerte galaksefordelingen ved en lysreisetid på 11 milliarder år (da universet bare var 2,76 milliarder år gammelt eller 20 % av sin nåværende alder), og (nederst) fordeling av materie i samme region etter 11 milliarder lysår eller tilsvarende vår nåtid. Kreditt: Ata et al.
“Vi ønsket å prøve å utvikle en fullstendig simulering av det virkelige fjerne universet for å se hvordan strukturer startet og hvordan de endte,” sa Ata.
Resultatet deres var COSTCO (Constrained Simulations of The COsmos Field).
Lee sa å utvikle simuleringen var omtrent som å bygge en tidsmaskin. Fordi lys fra det fjerne universet først når Jorden nå, er galaksene teleskopene observerer i dag et øyeblikksbilde av fortiden.
“Det er som å finne et gammelt svart-hvitt bilde av bestefaren din og lage en video av livet hans,” sa han.
I denne forstand tok forskerne øyeblikksbilder av “unge” besteforeldregalakser i universet og spole deretter frem alderen deres for å studere hvordan klynger av galakser ville dannes.
Lyset fra galakser forskerne brukte reiste en avstand på 11 milliarder lysår for å nå oss.
Det som var mest utfordrende var å ta hensyn til storskalamiljøet.
“Dette er noe som er veldig viktig for skjebnen til disse strukturene enten de er isolert eller assosiert med en større struktur. Tar man ikke hensyn til miljøet, så får man helt andre svar. Vi var i stand til å ta hensyn til miljøet i stor skala konsekvent, fordi vi har en full simulering, og det er derfor prediksjonen vår er mer stabil, sier Ata.
En annen viktig grunn til at forskerne laget disse simuleringene var å teste standardmodellen for kosmologi, som brukes til å beskrive universets fysikk. Ved å forutsi den endelige massen og den endelige fordelingen av strukturer i et gitt rom, kunne forskere avsløre tidligere uoppdagede avvik i vår nåværende forståelse av universet.
Ved å bruke simuleringene sine, var forskerne i stand til å finne bevis på tre allerede publiserte galakse-protocluster og disfavorisere en struktur. På toppen av det var de i stand til å identifisere fem flere strukturer som konsekvent dannet seg i simuleringene deres. Dette inkluderer Hyperion proto-supercluster, den største og tidligste proto-superklyngen kjent i dag som er 5000 ganger massen av vår[{” 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