Πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες;
Η κατάσταση του παιχνιδιού

Άρθρο, από την σελίδα του Physics World

Περιεχόμενα Άρθρου:

1. Εισαγωγή
2. Είσοδος στην εποχή της μεγάλης μετατόπισης προς το ερυθρό
3. Η Φυσική του σχηματισμού των γαλαξιών
4. Το κοσμολογικό στάδιο
5. Προσομοιώσεις υπολογιστών του σχηματισμού γαλαξιών
6. Η κατάσταση του παιχνιδιού
7. Τα επόμενα βήματα

Η κατάσταση του παιχνιδιού

Ο συνδυασμός των προσομοιώσεων Ν-σωμάτων μαζί με την ημι-αναλυτική μοντελοποίηση, έχουν αποκαλύψει λεπτομερώς,  τον τρόπο με τον οποίο οι γαλαξίες αναμένονται να διαμορφώνονται στο μοντέλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης. Η εικόνα που προκύπτει είναι μια εικόνας βαθμιαίας εξέλιξης, στην οποία υπάρχουν σημεία στίξης από σημαντικά γεγονότα συγχώνευσης, που συνοδεύονται από έντονες εκρήξεις σχηματισμού αστέρων. Αυτά τα γεγονότα προκαλούν επίσης το μετασχηματισμό των δίσκων σε σφαιροειδείς.

Οι προσομοιώσεις στο Durham δείχνουν ότι ο σχηματισμός των γαλαξιών ήταν μικρός, στην εποχή, με μια ερυθρή μετατόπιση περίπου z=5, και ότι μόνο ένα μικρό μέρος των παρόντων αστεριών σήμερα θα είχε σχηματισθεί πριν από εκείνη την εποχή. Από z=3 και πέρα, την εποχή των γαλαξιών του χάσματος Lyman, ο ρυθμός σχηματισμού των γαλαξιών έχει αρχίσει να αυξάνεται, ακόμα κι αν έχει προκύψει μόνο το 10% του τελικού πληθυσμού των αστέρων. Ένα ενδιάμεσο χρονικό σημείο, για το σχηματισμό των αστέρων, ήταν όταν η ερυθρή μετατόπιση έγινε περίπου z=1 ­ 1.5, όταν δηλαδή η ηλικία του σύμπαντος ήταν περίπου η μισή της σημερινής ηλικίας του.

Η συμφωνία μεταξύ των παρατηρήσεων που περιγράφονται ανωτέρω και των προβλέψεών μας ­ που δημοσίευτηκαν πέντε χρόνια νωρίτερα ­ είναι ενθαρρυντική ( βλέπε σχήμα 2). Η σημαντικότερη αβεβαιότητα προέρχεται πιθανώς από τα κρυμμένα φαινόμενα λόγω της σκόνης. Αλλά εκτός αν αυτά τα αποτελέσματα αποδειχθούν πολύ μεγαλύτερα από τα αναμενόμενα, μπορούμε να είμαστε βέβαιοι ότι έχουμε ακολουθήσει το μεγαλύτερο μέρος της δραστηριότητας του σχηματισμού ενός αστέρος και τη σχετική παραγωγή των χημικών στοιχείων πάνω από την ολόκληρη διάρκεια ζωής του σύμπαντος.

Μια δεύτερη σημαντική πρόβλεψη της θεωρίας της ψυχρής σκοτεινής ύλης, που προηγήθηκε χρονικώς των παρατηρητικών μετρήσεων, αφορά τις αθροιστικές ιδιότητες των γαλαξιών με υψηλό z. Στην καρδιά της ιεραρχικής αθροιστικής διαδικασίας βρίσκεται το γεγονός ότι οι γαλαξίες τείνουν να σχηματιστούν πρώτα κοντά στις υψηλές αιχμές του πυκνού πεδίου, επειδή αυτοί οι γαλαξίες είναι οι πρώτοι που θα καταρρεύσουν οποιαδήποτε στιγμή. Αυτή η προτίμηση για τις περιοχές υψηλής πυκνότητας είναι γνωστή ως "προδιαθετημένος σχηματισμός γαλαξιών" επειδή η κατανομή των γαλαξιών προσφέρει μια προδιαθετημένη όψη της βασικής κατανομής της μάζας.

Η τοποθέτηση των γαλαξιών του χάσματος Lyman με z = 3 σε μια προσομοίωση με ένα computer, σε ένα σύμπαν με ψυχρή σκοτεινή ύλη από τους συγγραφείς του άρθρου μαζί με τους Andrew Benson, Shaun Cole, Cedric Lacey και Fabio Governato στο Durham. Οι φωτεινότερες περιοχές ανταποκρίνονται στις υψηλότερες πυκνότητες και οι κύκλοι δείχνουν φωτοστέφανα (halos) σκοτεινής ύλης που, σύμφωνα με το ημι-αναλυτικό μοντέλο, θα πρέπει να βρίσκονται οι γαλαξίες του χάσματος Lyman. Αυτές τις περιοχές που είναι προτιμητέες, βρέθηκαν στις πιο ογκώδεις (με μεγάλες μάζες) δομές του σύμπαντος σε περιοχές με z=3.

Μια σημαντική συνέπεια του προδιαθετημένου σχηματισμού των γαλαξιών είναι ότι οι φωτεινοί γαλαξίες τείνουν να γεννηθούν σε μια ιδιαίτερα συγκεντρωμένη κατάσταση και να παραμείνουν έτσι για μεγάλες χρονικές περιόδους. Αυτο το δείγμα ήταν ήδη αναγνωρισμένη στις αρχικές  προσομοιώσεις των Ν-σωμάτων στα μέσα της δεκαετίας του '80 και υπολογίστηκε για την περίπτωση των γαλαξιών του χάσματος Lyman από την ομάδα Durham το 1998 (σχήμα 5). Κατά εντυπωσιακό τρόπο, οι επόμενες μετρήσεις της συγκέντρωσης μεταξύ των γαλαξιών του χάσματος Lyman από τον σπουδαστή Kurt Adelberger Steidel, στο Caltech, και τους συναδέλφους του, συμφώνησαν κατά εκπληκτικό τρόπο με αυτές τις θεωρητικές προβλέψεις. Το ιεραρχικό μοντέλο αναπαράγει επίσης τα σμήνη και τα υπερσμήνη των γαλαξιών που παρατηρητούνται σήμερα, καθώς επίσης και άλλα μεγάλης κλίμακας χαρακτηριστικά γνωρίσματα όπως τα κενά και ο "μεγάλος τοίχος" (great wall).

Τα δύο πεδία της συμφωνίας μεταξύ της θεωρίας και των δεδομένων που ήταν πιο εμφανή εδώ ­ η κοσμική ιστορία του σχηματισμού των αστέρων και η συγκέντρωση των γαλαξιών  υψηλών ερυθρών μετατοπίσεων, είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτη,   επειδή αφορούν τις θεμελιώδεις πτυχές της θεωρίας. Υπάρχουν επίσης διάφορες άλλες κρίσιμες προβλέψεις της θεωρίας που φαίνονται να είναι ευρέως σύμφωνες με τα δεδομένα.

Για τους συντάκτες του άρθρου, η ευρεία συμφωνία μεταξύ των μοντέλων και των δεδομένων δείχνει ότι τα βασικά συστατικά μιας συνεπούς εικόνας για το σχηματισμό των γαλαξιών βρίσκεται τώρα σε ισχύ. Αυτά τα συστατικά είναι τα ακόλουθα:
1. Ένα συγκεκριμένο μοντέλο για τη μορφή των αρχέγονων διακυμάνσεων.
2. Χωρίς συγκρούσεις, μη- βαρυονική σκοτεινή ύλη.
3. Βαρυτική αστάθεια και,
4. Η αύξηση των γαλαξιών με ιεραρχική συγκέντρωση.

Ο σχηματισμός γαλαξιών είναι μια παρατεταμένη διαδικασία που βρίσκεται ακόμα και σήμερα σε ισχύ. Ο Simon White, που τώρα είναι στο Ινστιτούτο Max Planck στο Garching, συνόψισε πρόσφατα την κατάσταση μάλλον σύντομα λέγοντας ότι ο "σχηματισμός γαλαξιών είναι μια διαδικασία, όχι ένα γεγονός." Δεν υπήρξε κανένα πυροτέχνημα στο αρχικό σύμπαν, αλλά μια βαθμιαία συγκέντρωση της δομής και του αστρικού περιεχομένου.

Όχι όμως όλοι, εντούτοις, συμφωνούν με τα συμπεράσματά μας. Οι αστρονόμοι είναι μια μάλλον συντηρητική κοινότητα και πολλοί από αυτούς τείνουν να βλέπουν τους θεωρητικούς με υποψία. Μια δημοφιλής άποψη που έχουν πολλοί αστρονόμοι,   για πολύ καιρό, ήταν ότι οι γαλαξίες, ιδιαίτερα οι ελλειπτικοί, διαμορφώθηκαν με αυτό που θα ήταν ένα αληθινά θεαματικό γεγονός: τη μονολιθική κατάρρευση ενός γιγαντιαίου πρωτο-γαλαξία με μια μετατόπιση προς το ερυθρό, z, μόλις πέρα από εκείνους τους προσιτούς με τα μεγάλα τηλεσκόπια. Αυτή η άποψη ­ για την οποία δεν έχουν ποτέ υπάρξει έστω και λίγες θεωρητικές ή εμπειρικές αποδείξεις ­ γρήγορα θα γίνει αστήρικτη και, κατά την άποψή μας, είναι ακριβώς ζήτημα χρόνου προτού τελικά σταματήσουν αυτοί οι αστρονόμοι, αυτή την πεποίθηση. Τα πειραματικά στοιχεία, θα τους μετατοπίσουν τότε πλήρως.

Οι συγγραφείς του άρθρου, Carlton Baugh και Carlos Frenk ανήκουν στο Τμήμα της Φυσικής, στο Πανεπιστήμιο του  Durham, South Road, Durham, DH1 3LE, Μεγάλη Βρεττανία.