Astrophysiker haben eine „Zeitmaschinen“-Simulation entwickelt, um den Lebenszyklus der Vorfahren galaktischer Städte zu beobachten

Viele Prozesse in der Astrophysik dauern sehr lange, was das Studium ihrer Entwicklung erschwert. Zum Beispiel ist ein Stern wie unsere Sonne etwa 10 Milliarden Jahre alt und Galaxien entwickeln sich über Milliarden von Jahren.

Astrophysiker gehen dies unter anderem an, indem sie verschiedene Objekte betrachten, um sie in verschiedenen Entwicklungsstadien zu vergleichen. Aufgrund der langen Zeit, die das Licht benötigt, um unsere Teleskope zu erreichen, können sie auch entfernte Objekte betrachten, um effektiv zurückzublicken. Wenn wir beispielsweise ein Objekt in 10 Milliarden Lichtjahren Entfernung betrachten, sehen wir es so, wie es vor 10 Milliarden Jahren war.

Laut einer neuen Studie, die am 2. Juni 2022 in der Zeitschrift veröffentlicht wurde, haben Forscher nun zum ersten Mal Simulationen erstellt, die den vollständigen Lebenszyklus einiger der größten Gruppen von Galaxien nachbilden, die vor 11 Milliarden Jahren im fernen Universum beobachtet wurden. natürliche Astronomie.

Kosmische Simulationen sind unerlässlich, um zu untersuchen, wie das Universum so wurde, wie es heute ist, aber viele von ihnen stimmen normalerweise nicht mit dem überein, was Astronomen durch Teleskope beobachten. Die meisten sind so konzipiert, dass sie nur im statistischen Sinne mit dem realen Universum übereinstimmen. Andererseits sind eingeschränkte kosmische Simulationen darauf ausgelegt, die Strukturen zu reproduzieren, die wir tatsächlich im Universum beobachten. Die meisten aktuellen Simulationen dieser Art wurden jedoch auf unser lokales Universum angewendet, dh in der Nähe der Erde, aber nicht auf Beobachtungen des fernen Universums.

Ein Forscherteam unter der Leitung des Forschers und Erstautors Metin Ata vom Kavli Institute of Physics and Mathematics of Project Universe und des außerordentlichen Projektprofessors Khe-Jan Lee interessierte sich für entfernte Strukturen wie massive Galaxienhaufen, die die Vorfahren von heute sind. Galaxienhaufen, bevor sie sich unter dem Einfluss der Schwerkraft sammeln. Sie fanden heraus, dass aktuelle Studien zu entfernten Protoclustern manchmal zu stark vereinfacht waren, was bedeutet, dass sie eher mit einfachen Modellen als mit Simulationen durchgeführt wurden.

Screenshots aus der Simulation zeigen (oben) die Verteilung der Materie, die der Verteilung von Galaxien entspricht, die in einer Lichtlaufzeit von 11 Milliarden Jahren beobachtet wurden (als das Universum nur 2,76 Milliarden Jahre alt oder 20 % seines heutigen Alters war), und (unten ) die Verteilung der Materie in derselben Region nach 11 Milliarden Jahren, ungefähr eine Milliarde Lichtjahre. Bildnachweis: Ata et al.

„Wir wollten versuchen, eine vollständige Simulation des fernen realen Universums zu entwickeln, um zu sehen, wie die Strukturen begannen und wie sie endeten“, sagte Atta.

Ihr Ergebnis war COSTCO (COsmos Constrained Field Simulation).

Er sagte mir, dass die Entwicklung einer Simulation dem Bau einer Zeitmaschine sehr ähnlich sei. Da Licht aus dem fernen Universum die Erde erst jetzt erreicht, sind die galaktischen Teleskope, die Sie heute sehen, eine Momentaufnahme der Vergangenheit.

„Es ist, als würde man ein altes Schwarz-Weiß-Foto seines Großvaters finden und ein Video seines Lebens machen“, sagte er.

In diesem Sinne machten die Forscher Schnappschüsse von „jungen“ angestammten Galaxien im Universum und erhöhten dann schnell ihr Alter, um zu untersuchen, wie sich Galaxienhaufen bildeten.

Das Licht der Galaxien, die die Forscher nutzten, legte eine Entfernung von 11 Milliarden Lichtjahren zurück, um uns zu erreichen.

Die größte Herausforderung bestand darin, die großräumige Umgebung zu berücksichtigen.

„Das ist eine sehr wichtige Sache für das Schicksal dieser Strukturen, egal ob sie isoliert oder mit einer größeren Struktur verbunden sind. Wenn Sie die Umgebung nicht berücksichtigen, erhalten Sie völlig andere Antworten. Wir konnten das Große nehmen -skalierte Umgebung ständig berücksichtigen, weil wir eine vollständige Simulation haben, und deshalb ist unsere Vorhersage stabiler.“

Ein weiterer wichtiger Grund, warum Forscher diese Simulation erstellt haben, ist der Test des Standardmodells der Kosmologie, das zur Beschreibung der Physik des Universums verwendet wird. Durch die Vorhersage der endgültigen Masse und endgültigen Verteilung von Strukturen an einem bestimmten Ort können Forscher bisher unentdeckte Ungereimtheiten in unserem derzeitigen Verständnis des Universums aufdecken.

Anhand ihrer Simulationen konnten die Forscher Hinweise darauf finden, dass bereits drei protogalaktische Gruppen existieren und eine Struktur gestört ist. Darüber hinaus konnten sie fünf weitere Strukturen identifizieren, die sich in ihren Simulationen ständig bilden. Dazu gehört der Hyperion-Proto-Superhaufen, der größte und älteste heute bekannte Proto-Superhaufen, der eine 5.000-mal größere Masse als unser Haufen hat.[{“ 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