Astrofysici hebben een ’tijdmachine’-simulatie gemaakt om de levenscyclus van de voorouders van galactische steden te observeren

Veel processen in de astrofysica duren erg lang, wat het bestuderen van hun evolutie moeilijk maakt. Een ster als onze zon is bijvoorbeeld ongeveer 10 miljard jaar oud en sterrenstelsels evolueren in de loop van miljarden jaren.

Een manier waarop astrofysici dit benaderen, is door naar verschillende objecten te kijken om ze in verschillende stadia van ontwikkeling te vergelijken. Ze kunnen ook naar verre objecten kijken om effectief terug te kijken, vanwege de lange tijd die het licht nodig heeft om onze telescopen te bereiken. Als we bijvoorbeeld naar een object op 10 miljard lichtjaar afstand kijken, zien we het zoals het 10 miljard jaar geleden was.

Nu hebben onderzoekers voor het eerst simulaties gemaakt die de volledige levenscyclus nabootsen van enkele van de grootste groepen sterrenstelsels die 11 miljard jaar geleden in het verre heelal zijn waargenomen, volgens een nieuwe studie die op 2 juni 2022 in het tijdschrift is gepubliceerd. natuurlijke astronomie.

Kosmische simulaties zijn essentieel om te bestuderen hoe het universum is geworden zoals het nu is, maar veel ervan komen meestal niet overeen met wat astronomen door telescopen waarnemen. De meeste zijn ontworpen om alleen in statistische zin overeen te komen met het echte universum. Aan de andere kant zijn beperkte kosmische simulaties ontworpen om de structuren te reproduceren die we daadwerkelijk in het universum waarnemen. De meeste huidige simulaties van dit type zijn echter toegepast op ons lokale universum, dat wil zeggen in de buurt van de aarde, maar niet op waarnemingen van het verre universum.

Een team van onderzoekers, geleid door het Kavli Institute of Physics and Mathematics of Project Universe-onderzoeker en eerste auteur Metin Ata en universitair hoofddocent Khe-Jan Lee, was geïnteresseerd in verre structuren zoals massieve melkwegclusters, de voorouders van vandaag. Melkwegclusters voordat ze zich verzamelen onder invloed van de zwaartekracht. Ze ontdekten dat de huidige studies van verre protoclusters soms te eenvoudig waren, wat betekent dat ze werden uitgevoerd met behulp van eenvoudige modellen in plaats van simulaties.

Schermafbeeldingen van de simulatie tonen (boven) de verdeling van materie die overeenkomt met de verdeling van sterrenstelsels waargenomen in een lichtreistijd van 11 miljard jaar (toen het universum slechts 2,76 miljard jaar oud was of 20% van zijn huidige leeftijd), en (onder ) de verdeling van materie in dezelfde regio na 11 miljard jaar, een miljard lichtjaar of zo. Krediet: Ata et al.

“We wilden proberen een volledige simulatie van het verre echte universum te ontwikkelen om te zien hoe de structuren begonnen en hoe ze eindigden”, zei Atta.

Hun resultaat was COSTCO (COsmos Constrained Field Simulation).

Hij vertelde me dat het ontwikkelen van een simulatie veel lijkt op het bouwen van een tijdmachine. Omdat licht van het verre heelal de aarde nu pas bereikt, zijn de galactische telescopen die je vandaag ziet een momentopname van het verleden.

“Het is alsof je een oude zwart-witfoto van je grootvader vindt en een video van zijn leven maakt”, zei hij.

In die zin namen de onderzoekers snapshots van “jonge” voorouderlijke sterrenstelsels in het universum en gingen vervolgens snel ouder worden om te bestuderen hoe clusters van sterrenstelsels zich vormden.

Het licht van de sterrenstelsels die de onderzoekers gebruikten, reisde 11 miljard lichtjaar weg om ons te bereiken.

De grootste uitdaging was om rekening te houden met de grootschalige omgeving.

“Dit is heel belangrijk voor het lot van die structuren, of ze nu geïsoleerd zijn of gerelateerd zijn aan een grotere structuur. Als je geen rekening houdt met de omgeving, krijg je heel andere antwoorden. We hebben de grote kunnen nemen -schaal voortdurend rekening houden met de omgeving, omdat we een volledige simulatie hebben, en daarom is onze voorspelling stabieler.”

Een andere belangrijke reden waarom onderzoekers deze simulatie hebben gemaakt, is om het standaardmodel van de kosmologie te testen, dat wordt gebruikt om de fysica van het universum te beschrijven. Door de uiteindelijke massa en uiteindelijke verdeling van structuren op een bepaalde locatie te voorspellen, kunnen onderzoekers voorheen onontdekte inconsistenties in ons huidige begrip van het universum onthullen.

Met behulp van hun simulaties konden de onderzoekers bewijs vinden dat er al drie protogalactische groepen bestaan ​​en dat één structuur verstoord is. Bovendien konden ze vijf andere structuren identificeren die zich constant vormen in hun simulaties. Dit omvat de Hyperion proto-supercluster, de grootste en oudste proto-supercluster die vandaag bekend is, met een massa van 5000 keer de massa van onze cluster.[{” 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