Virtuel univers-maskine kaster lys over galakseudviklingen

Hvordan opstår galakser som vores Mælkevej? Hvordan vokser og ændrer de sig over tid? Videnskaben bag galaksedannelse har været et puslespil i årtier, men et team af forskere ledet af University of Arizona er et skridt tættere på at finde svar takket være supercomputersimuleringer.

At observere rigtige galakser i rummet kan kun give øjebliksbilleder i tid, så forskere, der ønsker at studere, hvordan galakser udvikler sig over milliarder af år, må vende tilbage til computersimuleringer. Traditionelt, astronomer har brugt denne tilgang til at opfinde og teste nye teorier om galaksedannelse, en efter en. Peter Behroozi, en adjunkt ved UA Steward Observatory, og hans team overvandt denne forhindring ved at generere millioner af forskellige universer på en supercomputer, som hver adlød forskellige fysiske teorier for, hvordan galakser skulle dannes.

Fundene, offentliggjort i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society , udfordre grundlæggende ideer om den rolle mørkt stof spiller i galaksedannelsen, hvordan galakser udvikler sig over tid, og hvordan de føder stjerner.

"På computeren, vi kan skabe mange forskellige universer og sammenligne dem med det faktiske, og det lader os udlede, hvilke regler der fører til den, vi ser, " sagde Behroozi, undersøgelsens hovedforfatter.

Undersøgelsen er den første til at skabe selvkonsistente universer, der er så nøjagtige kopier af det virkelige:computersimuleringer, der hver repræsenterer en betydelig del af det faktiske kosmos, indeholdende 12 millioner galakser og spænder over tiden fra 400 millioner år efter Big Bang til i dag.

Hvert "Ex-Machina"-univers blev sat gennem en række tests for at evaluere, hvordan lignende galakser optrådte i det genererede univers sammenlignet med det sande univers. De universer, der lignede vores eget, havde alle lignende underliggende fysiske regler, demonstrerer en kraftfuld ny tilgang til at studere galaksedannelse.

Resultaterne fra "UniverseMachine, "som forfatterne kalder deres tilgang, har hjulpet med at løse det langvarige paradoks om, hvorfor galakser holder op med at danne nye stjerner, selv når de beholder masser af brintgas, råmaterialet, som stjerner er smedet af.

Almindelige ideer om, hvordan galakser danner stjerner, involverer et komplekst samspil mellem kold gas, der kollapser under påvirkning af tyngdekraften i tætte lommer, der giver anledning til stjerner, mens andre processer modvirker stjernedannelse.

For eksempel, det menes, at de fleste galakser rummer supermassive sorte huller i deres centre. Stof, der falder ned i disse sorte huller, udstråler enorme energier, fungerer som kosmiske blæselamper, der forhindrer gas i at køle nok ned til at kollapse i stjernegartnerier. Tilsvarende stjerner, der ender deres liv i supernovaeksplosioner, bidrager til denne proces. Mørkt stof, også, spiller en stor rolle, da det sørger for det meste af tyngdekraften, der virker på det synlige stof i en galakse, trække kold gas ind fra galaksens omgivelser og varme den op i processen.

"Når vi går tidligere og tidligere tilbage i universet, vi ville forvente, at det mørke stof var tættere, og derfor bliver gassen varmere og varmere. Dette er dårligt for stjernedannelse, så vi havde troet, at mange galakser i det tidlige univers burde være holdt op med at danne stjerner for længe siden, " sagde Behroozi. "Men vi fandt det modsatte:galakser af en given størrelse var mere tilbøjelige til at danne stjerner med en højere hastighed, mod forventning."

For at matche observationer af faktiske galakser, Behroozi forklarede, hans team skulle skabe virtuelle universer, hvor det modsatte var tilfældet - universer, hvor galakser blev ved med at kværne stjerner ud i meget længere tid.

Hvis, på den anden side, forskerne skabte universer baseret på nuværende teorier om galaksedannelse – universer, hvor galakserne tidligt holdt op med at danne stjerner – disse galakser så meget rødere ud end de galakser, vi ser på himlen.

Galakser ser røde ud af to grunde. Den første er tydelig i naturen og har at gøre med en galakses alder - hvis den er dannet tidligere i universets historie, det vil bevæge sig hurtigere væk, at skifte lyset ind i det røde spektrum. Astronomer kalder denne effekt rødforskydning. Den anden årsag er iboende:- hvis en galakse er holdt op med at danne stjerner, den vil indeholde færre blå stjerner, som typisk dør ud tidligere, og stå tilbage med ældre, rødere stjerner.

"Men det ser vi ikke, " sagde Behroozi. "Hvis galakser opførte sig, som vi troede og holdt op med at danne stjerner tidligere, vores faktiske univers ville være farvet helt forkert. Med andre ord, vi er tvunget til at konkludere, at galakser dannede stjerner mere effektivt i de tidlige tider, end vi troede. Og hvad dette fortæller os er, at energien skabt af supermassive sorte huller og eksploderende stjerner er mindre effektiv til at kvæle stjernedannelse, end vores teorier forudsagde."

Ifølge Behroozi, at skabe falske universer af hidtil uset kompleksitet krævede en helt ny tilgang, der ikke var begrænset af computerkraft og hukommelse, og gav nok opløsning til at spænde over skalaerne fra de "små" - individuelle objekter såsom supernovaer - til en betydelig del af det observerbare univers.

"Simulering af en enkelt galakse kræver 10 til 48. computeroperationer, " forklarede han. "Alle computere på Jorden tilsammen kunne ikke gøre dette på hundrede år. Så for bare at simulere en enkelt galakse, endsige 12 mio. vi var nødt til at gøre det anderledes."

Ud over at bruge computerressourcer på NASA Ames Research Center og Leibniz-Rechenzentrum i Garching, Tyskland, holdet brugte "Ocelote"-supercomputeren på UA High Performance Computing-klyngen. To tusinde processorer knuste dataene samtidigt over tre uger. I løbet af forskningsprojektet, Behroozi og hans kolleger genererede mere end 8 millioner universer.

"Vi tog de sidste 20 års astronomiske observationer og sammenlignede dem med de millioner af falske universer, vi genererede, " Behroozi forklarede. "Vi sammensatte tusindvis af oplysninger for at se, hvilke der matchede. Så det univers, vi skabte, rigtigt ud? Hvis ikke, vi ville gå tilbage og lave ændringer, og tjek igen."

For yderligere at forstå, hvordan galakser opstod, Behroozi og hans kolleger planlægger at udvide UniverseMachine til at omfatte individuelle galaksers morfologi og hvordan deres former udvikler sig over tid.