Σπειροειδής γαλαξίας NGC 1300. Κάντε κλικ για μεγέθυνση
Οι ερευνητές έχουν αξιοποιήσει τη δύναμη ενός από τους ταχύτερους υπερυπολογιστές στον κόσμο - το Earth Simulator - για να μοντελοποιήσουν την ανάπτυξη των γαλαξιών στο πρώιμο Σύμπαν. Η ομάδα προσομοίωσε τη διαδικασία από την αρχή, λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν συγκεντρώθηκαν συσσωρευμένα αέρια για να σχηματίσουν αστέρια που στη συνέχεια συγχωνεύτηκαν σε μεγαλύτερες και μεγαλύτερες συλλογές και τελικά έγιναν γαλαξίες. Διαπίστωσαν ότι οι γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας μας έχουν πιθανότατα την ίδια σύνθεση τώρα όπως έκαναν μόλις ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang.
Δύο αστρονόμοι έχουν πραγματοποιήσει μία από τις μεγαλύτερες προσομοιώσεις αστροφυσικής στον κόσμο μέχρι σήμερα, προκειμένου να μοντελοποιήσουν την ανάπτυξη των γαλαξιών. Χρησιμοποιώντας τον υπερυπολογιστή «Earth Simulator» στην Ιαπωνία, ο οποίος χρησιμοποιείται επίσης για την κλιματική μοντελοποίηση και την προσομοίωση της σεισμικής δραστηριότητας, ο Masao Mori του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες και ο Masayuki Umemura στο Πανεπιστήμιο Tsukuba έχουν υπολογίσει πώς εξελίχθηκαν οι γαλαξίες από μόλις 300 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang μέχρι σήμερα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι γαλαξίες μπορεί να έχουν εξελιχθεί πολύ πιο γρήγορα από ό, τι πιστεύεται σήμερα (Nature 440 644).
Σύμφωνα με το «ιεραρχικό» μοντέλο, οι γαλαξίες σχηματίζονται μέσω μιας διαδικασίας από κάτω προς τα πάνω που ξεκινά με το σχηματισμό μικρών συσσωρευμάτων αερίου και αστεριών που στη συνέχεια συγχωνεύονται σε μεγαλύτερα συστήματα. Οι Mori και Umemura προσομοίωσαν αυτήν τη διαδικασία χρησιμοποιώντας έναν ισχυρό τρισδιάστατο υδροδυναμικό κώδικα σε συνδυασμό με έναν κώδικα «φασματικής σύνθεσης» για ένα αστροφυσικό πλάσμα προκειμένου να ληφθεί υπόψη η δυναμική και χημική εξέλιξη ενός αρχέγονου γαλαξία. Η προσομοίωση Earth-Simulator πραγματοποιήθηκε με μια εξαιρετικά υψηλή ανάλυση που βασίστηκε σε 1024 "σημεία πλέγματος", καθιστώντας τον έναν από τους μεγαλύτερους υπολογισμούς που πραγματοποιήθηκαν ποτέ στην αστροφυσική.
Οι Mori και Masayuki διαμόρφωσαν τις αρχικές συνθήκες στην προσομοίωσή τους με βάση ένα σύμπαν ψυχρής σκοτεινής ύλης, οι παράμετροι των οποίων καθορίζονται από μετρήσεις του κοσμικού φόντου μικροκυμάτων. Αυτές οι παρατηρήσεις, που έγιναν για πρώτη φορά το 2003, δείχνουν ότι ζούμε σε ένα επίπεδο σύμπαν που περιλαμβάνει μόνο 4% συνηθισμένη ύλη, 22% σκοτεινή ύλη και 74% σκοτεινή ενέργεια - σε συμφωνία με το πρότυπο μοντέλο της κοσμολογίας. Στη συνέχεια, οι ερευνητές συνέκριναν άμεσα τα αριθμητικά τους αποτελέσματα με παρατηρήσεις πρωτόγονων γαλαξιών που ονομάζονται εκπομποί Lyman-alpha και γαλαξίες "Break Lyman", τους οποίους βρίσκουν οι αστρονόμοι στα πιο μακρινά και επομένως παλαιότερα μέρη του σύμπαντος.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι αρχέγονες φυσαλίδες αερίου που σχηματίστηκαν στον πρώιμο κόσμο μόλις 300 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang μοιάζουν πράγματι με τους εκπομπούς Lyman-alpha. Μετά από περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια, οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι αυτοί οι γαλαξίες μεταλλάσσονται σε γαλαξίες σπάζοντας Lyman. Τέλος, μετά από 10 δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης, οι δομές μοιάζουν με τους σημερινούς ελλειπτικούς γαλαξίες.
Η προσομοίωση προβλέπει επίσης το μείγμα χημικών στοιχείων στον γαλαξία σε κάθε στάδιο της εξέλιξής του, και υποδηλώνει ότι ο Γαλαξίας μας έχει περίπου την ίδια σύνθεση σήμερα όπως και όταν ήταν μόλις 1 δισεκατομμύριο ετών. Μέχρι τώρα, οι γαλαξίες θεωρούνταν ότι εξελίχθηκαν σταδιακά και εμπλουτίστηκαν σε βαρύτερα στοιχεία πέρα από το υδρογόνο και το ήλιο για μια περίοδο 10 δισεκατομμυρίων ετών από επαναλαμβανόμενες διαμορφώσεις αστεριών και εκρήξεις σουπερνόβα.
«Τα ευρήματά μας δείχνουν ότι ο σχηματισμός γαλαξιών προχώρησε πολύ πιο γρήγορα και ότι μια μεγάλη ποσότητα βαριών στοιχείων παρήχθη σε γαλαξίες σε μόλις 1 δισεκατομμύριο χρόνια», λέει ο Mori.
Αρχική πηγή: Ινστιτούτο Φυσικής
