physics4u - Πολύ πιο γρήγορα έγινε η εξέλιξη των γαλαξιών δείχνει μια μεγάλη προσομοίωση

Δύο αστρονόμοι εκτέλεσαν μία από τις μεγαλύτερες προσομοιώσεις της αστροφυσικής σε υπολογιστή προκειμένου να μοντελοποιήσουν έως σήμερα την εξέλιξη των γαλαξιών. Χρησιμοποιώντας τον υπερυπολογιστή "Earth Simulator" στην Ιαπωνία, που χρησιμοποιείται επίσης και για τη μοντελοποίηση του κλίματος, ενώ προσομοιώνει και τη σεισμική δραστηριότητα, οι Masao Mori του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες και Masayuki Umemura του πανεπιστημίου Tsukuba υπολόγισαν με ποιο τρόπο εξελίχθηκαν οι γαλαξίες ακριβώς 300 εκατομμύρια χρόνια μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη μέχρι και σήμερα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι γαλαξίες μπορεί να είχαν εξελιχθεί πολύ γρηγορότερα από ό,τι θεωρούσαμε μέχρι σήμερα (Nature 440 644).

Τα αποτελέσματα

Σύμφωνα με το "ιεραρχικό" μοντέλο, οι γαλαξίες διαμορφώνονται με διαδικασίες από τα κάτω προς τα πάνω, δηλαδή που αρχίζουν με το σχηματισμό μικρών μαζών αερίων και άστρων, που αργότερα συγχωνεύονται προς δημιουργία μεγαλύτερων συστημάτων. Οι Mori και Umemura προσομοίωσαν αυτήν την διαδικασία χρησιμοποιώντας έναν ισχυρό 3D υδροδυναμικό κώδικα που συνδυάστηκε με έναν κώδικα "φασματικής σύνθεσης" για ένα αστροφυσικό πλάσμα, προκειμένου να ληφθεί υπόψη η δυναμική και η χημική εξέλιξη ενός αρχέγονου γαλαξία. Η προσομοίωση - που εκτελέσθηκε με τον υπερυπολογιστή Earth Simulator - έγινε με μια πολύ μεγάλη ανάλυση βασισμένη σε 1024 "σημεία πλέγματος". Έτσι, έγινε ένας από τους μεγαλύτερους υπολογισμούς που εκτελέσθηκαν ποτέ στην αστροφυσική.

Οι Mori και Masayuki έθεσαν τις αρχικές συνθήκες στην προσομοίωσή τους βασισμένοι σε ένα σύμπαν με μια ψυχρή σκοτεινή ύλη, οι παράμετροι της οποίας καθορίζονται από τις μετρήσεις του Κοσμικού Υποβάθρου Μικροκυμάτων.

Αυτές οι παρατηρήσεις, που έγιναν για πρώτη φορά το 2003, δείχνουν ότι ζούμε σε έναν επίπεδο Κόσμο που περιέχει μόνο 4% συνηθισμένη ύλη, 22% σκοτεινή ύλη και 74% σκοτεινή ενέργεια -- σε συμφωνία με το Καθιερωμένο Μοντέλο της κοσμολογίας.

Οι ερευνητές έπειτα σύγκριναν άμεσα τα αριθμητικά αποτελέσματά τους με τις παρατηρήσεις των πρωτόγονων γαλαξιών, που ονομάζονται εκπομποί Lyman-alpha, τους οποίους οι αστρονόμοι βρίσκουν στα πιο απόμακρα και επομένως παλαιότερα μέρη του σύμπαντος.

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι αρχέγονες φυσαλίδες του αερίου που σχηματίστηκαν στον πρώιμο Κόσμο, ακριβώς 300 εκατομμύρια έτη μετά από το Big Bang πράγματι μοιάζουν με τους εκπομπούς Lyman-alpha. Μετά από, σχεδόν, 1 δισεκατομμύρια έτη, οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι αυτοί οι γαλαξίες μεταβάλλονται στους ακραίους γαλαξίες Lyman. Τέλος, μετά από 10 δισεκατομμύριο έτη εξέλιξης, οι δομές μοιάζουν με τους σημερινούς ελλειπτικούς γαλαξίες.

Η προσομοίωση προβλέπει επίσης το μίγμα των χημικών στοιχείων στο γαλαξία σε κάθε στάδιο της εξέλιξής της, και έδειξε ότι ο Γαλαξίας μας έχει σήμερα κατά προσέγγιση την ίδια σύνθεση που είχε και όταν ήταν ακριβώς 1 δισεκατομμύριο χρονών. Μέχρι τώρα, οι γαλαξίες θεωρήθηκαν ότι έχουν εξελιχθεί βαθμιαία και έχουν εμπλουτιστεί με τα βαρύτερα στοιχεία - εκτός από το υδρογόνο και το ήλιο - για μία περίοδο 10 δισεκατομμυρίων ετών από τις επαναλαμβανόμενες εκρήξεις των υπερκαινοφανών αστεριών.

"Τα ευρήματα μας δείχνουν ότι ο σχηματισμός των γαλαξιών προχώρησε πολύ γρηγορότερα και ότι ένα μεγάλο ποσό βαρέων στοιχείων παρήχθη στους γαλαξίες ακριβώς σε 1 δισεκατομμύριο χρόνια", λέει ο Mori.