Galaktyka spiralna NGC 1300. Kliknij, aby powiększyć
Naukowcy wykorzystali moc jednego z najszybszych superkomputerów na świecie - Symulatora Ziemi - do modelowania wzrostu galaktyk we wczesnym Wszechświecie. Zespół przeprowadził symulację tego procesu od samego początku, krótko po Wielkim Wybuchu, kiedy grudki gazu połączyły się, tworząc gwiazdy, które następnie połączyły się w coraz większe kolekcje i ostatecznie stały się galaktykami. Odkryli, że galaktyki takie jak Droga Mleczna prawdopodobnie mają teraz ten sam skład, co zaledwie miliard lat po Wielkim Wybuchu.
Dwóch astronomów wykonało jedną z największych na świecie symulacji astrofizycznych w celu modelowania wzrostu galaktyk. Używając superkomputera „Earth Simulator” w Japonii, który jest również wykorzystywany do modelowania klimatu i symulacji aktywności sejsmicznej, Masao Mori z University of California w Los Angeles i Masayuki Umemura z University of Tsukuba obliczyli, jak galaktyki ewoluowały od zaledwie 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu do dnia dzisiejszego. Wyniki pokazują, że galaktyki mogły ewoluować znacznie szybciej, niż się obecnie sądzi (Natura 440 644).
Zgodnie z modelem „hierarchicznym” galaktyki powstają w procesie oddolnym, który rozpoczyna się od formowania małych skupisk gazu i gwiazd, które następnie łączą się w większe układy. Mori i Umemura przeprowadzili symulację tego procesu przy użyciu potężnego kodu hydrodynamicznego 3D w połączeniu z kodem „syntezy widmowej” plazmy astrofizycznej, aby uwzględnić dynamiczną i chemiczną ewolucję pierwotnej galaktyki. Symulację Earth-Simulator przeprowadzono w ultrawysokiej rozdzielczości opartej na 1024 „punktach siatki”, co czyni ją jedną z największych obliczeń, jakie kiedykolwiek przeprowadzono w astrofizyce.
Mori i Masayuki ustalili warunki początkowe w swojej symulacji w oparciu o wszechświat zimnej ciemnej materii, którego parametry są określone przez pomiary kosmicznego tła mikrofalowego. Obserwacje te, po raz pierwszy dokonane w 2003 r., Pokazują, że żyjemy w płaskim wszechświecie zawierającym zaledwie 4% zwykłej materii, 22% ciemnej materii i 74% ciemnej energii - zgodnie ze standardowym modelem kosmologii. Następnie naukowcy bezpośrednio porównali swoje wyniki liczbowe z obserwacjami prymitywnych galaktyk zwanych emiterami Lyman-alfa i galaktykami „Lyman-break”, które astronomowie znajdują w najodleglejszych, a zatem najstarszych częściach wszechświata.
Wyniki pokazują, że pierwotne bąbelki gazu, które powstały we wczesnym wszechświecie zaledwie 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu, rzeczywiście wyglądają jak emitery Lyman-alfa. Po około 1 miliardie lat symulacje pokazują, że galaktyki te mutują się w galaktyki Lyman. Wreszcie, po 10 miliardach lat ewolucji, struktury przypominają dzisiejsze galaktyki eliptyczne.
Symulacja przewiduje również mieszankę pierwiastków chemicznych w galaktyce na każdym etapie jej ewolucji i sugeruje, że nasza Droga Mleczna ma dziś mniej więcej taki sam skład, jak wtedy, gdy miała zaledwie 1 miliard lat. Do tej pory uważano, że galaktyki ewoluowały stopniowo i wzbogacały się w cięższe pierwiastki poza wodorem i helem w ciągu 10 miliardów lat poprzez powtarzające się formowanie gwiazd i wybuchy supernowych.
„Nasze odkrycie pokazuje, że tworzenie galaktyk przebiegało znacznie szybciej i że w galaktykach powstało wiele ciężkich pierwiastków w ciągu zaledwie 1 miliarda lat”, mówi Mori.
Oryginalne źródło: Institute of Physics
