Modellering af galaksedannelse

Det er svært at forstå dannelsen og udviklingen af ​​galakser, fordi så mange forskellige fysiske processer udover tyngdekraften er involveret, herunder processer forbundet med stjernedannelse og stjernestråling, afkøling af gassen i det interstellare medium, feedback fra tiltagende sorte huller, magnetiske felter, kosmiske stråler, og mere. Astronomer har brugt computersimuleringer af galaksedannelse til at hjælpe med at forstå samspillet mellem disse processer og adressere spørgsmål, der endnu ikke kan besvares gennem observationer, som hvordan de første galakser i universet blev dannet. Simuleringer af galaksedannelse kræver selvkonsistent modellering af alle disse forskellige mekanismer på én gang, men en vigtig vanskelighed er, at hver af dem opererer i en forskellig rumlig skala, hvilket gør det næsten umuligt at simulere dem alle på samme tid. Gasindstrømning fra det intergalaktiske medium ind i en galakse, for eksempel, foregår over millioner af lysår, stjernernes vinde har indflydelse over hundreder af lysår, mens sort hul-feedback fra dens tilvækstskive sker på skalaer af tusindedele af et lysår.

CfA-astronomerne Rahul Kannan og Lars Hernquist, med deres kolleger, har udviklet en ny beregningsramme, der selvkonsekvent inkluderer alle disse effekter. Beregningerne bruger en ny stjernefeedback-ramme kaldet Stars and Multiphase Gas in Galaxies (SMUGGLE), som integrerer processer, der involverer stråling, støv, molekylær brintgas (den dominerende komponent i det interstellare medium) og omfatter også termisk og kemisk modellering. SMUGGLE-feedbacken er indarbejdet i den populære AREPO hydrodynamiske kode, der simulerer udviklingen af ​​strukturer, og som har et ekstra modul til at inkludere strålingseffekter.

Astronomerne bruger en simulering af Mælkevejen til at teste deres resultater, og rapportere meget god overensstemmelse med observationer. De finder, at feedback-effekterne fra stråling på stjernedannelseshastigheder er ret beskedne, i det mindste i et Mælkevejseksempel, hvor stjerner dannes med en hastighed på kun to-tre solmasser om året. På den anden side, de finder ud af, at strålingen fra stjerner drastisk ændrer strukturen og opvarmningen af ​​det interstellare medium ved at påvirke fordelingen af ​​det varme, varm, og koldt materiale, som afviger fra den simple forventning. Koden gør et godt stykke arbejde med at simulere støvtemperaturfordelingen med varmt støv, der ligger (som forventet) nær de stjernedannende områder, men med det kolde støv, måske så lavt som ti kelvin, fordelt længere væk. Succesen med disse nye simuleringer motiverer forfatterne til at udvide deres arbejde til simuleringer med endnu finere rumlig opløsning.