Első alkalommal hoztak létre olyan modelleket a kutatók, amelyek a távoli Világegyetem 11 milliárd éves galaxisainak teljes életciklusát dolgozzák fel. Eredményeiket a Nature Astronomy című lapban tették közzé.

A kozmológiai szimulációk segítségével tanulmányozhatjuk, hogy miként vált a Világegyetem olyanná, amilyennek most látjuk. Sokszor azonban a modellek nem passzolnak a csillagászok megfigyeléseihez. A legtöbbet úgy tervezték, hogy csak statisztikai értelemben illeszkedjenek a valódi Világegyetemhez. Készítenek azonban olyan szimulációkat is, amelyek közvetlenül reprodukálják a Világegyetemben általunk megfigyelt struktúrákat. Ezek többségét azonban nem a távolabbi térség megfigyeléseire, hanem az Univerzum hozzánk közeli részére alkalmazzák.

A Kavli Intézet (Kavli IPMU) kutatócsoportja olyan távoli struktúrák felé fordította figyelmét, mint a nagy tömegű galaxis-protohalmazok, amelyek napjaink galaxishalmazainak ősei. A kutatók azt találták, hogy a távoli protohalmazok tanulmányozását időnként túlságosan leegyszerűsítik, vagyis túl egyszerű modelleket alkalmaznak rájuk, nem pedig komplex szimulációkat.

„Meg akartunk próbálni kifejleszteni egy teljes szimulációt a valós távoli Világegyetemre, hogy lássuk, hogyan jönnek létre benne a struktúrák, és hogyan tűnnek el.” – mondta a kutatócsoport vezetője, Metin Ata. Munkájuk eredménye a COSTCO (COnstrained Simulations of The COsmos Field) szimuláció.

A szimuláció egyik pillanatfelvételén a 11 milliárd fényévre lévő anyag eloszlását látjuk a megfigyelt galaxiseloszláshoz képest. (Forrás: Ata et al.)

A kutatócsoport tagja, Khee-Gan Lee szerint a szimuláció megalkotása olyan volt, mintha időgépet építettek volna. Mivel a távoli Univerzum fényének hosszú utat kell megtennie, a távcsöveinkkel csak a múlt egy pillanatát észlelhetjük. „Olyan ez, mintha találnánk egy fekete–fehér képet a nagyapánkról, és videót készítenénk belőle az egész életéről.” – mondta.

A kutatók tehát pillanatfelvételeket készítettek a „fiatal” galaxis-nagyszülőkről, és felgyorsítva a fejlődésüket megvizsgálták, hogyan alakulnak ki a galaxishalmazok. Ezeknek a galaxisoknak a fénye 11 milliárd évig utazott, hogy eljusson hozzánk. A kutatás során a legnagyobb kihívást az őket körülvevő környezet kezelése jelentette.

„Ezeknek a struktúráknak a sorsát illetően nagyon fontos, hogy elszigeteltek, vagy egy nagyobb struktúra részei. Ha nem vesszük figyelembe a környezetüket, akkor teljesen más eredményeket kapunk. A szimulációink képesek következetesen kezelni a teljes környezetet, és ezért stabilabb az előrejelzésünk.” – mondta Ada.

A szimulációk létrehozásának másik célja a kozmológia standard modelljének tesztelése volt, ami a Világegyetem fizikai működését írja le. Ha egy adott térben képesek vagyunk megjósolni a struktúrák végső tömegét és eloszlását, akkor megismerhetjük a Világegyetemről alkotott képünkben korábban nem észlelt tévedéseket.

A kutatók a szimulációk segítségével bizonyítékot találtak három, már korábban leírt galaxis-protohalmazra, és egynek a létezését megcáfolták. Ezen felül még öt olyan struktúrát azonosítottak, amelyek kialakulását a szimulációk megerősítették. Ide tartozik a Hüperión proto-szuperhalmaz, a ma ismert legnagyobb és legidősebb proto-szuperhalmaz, amelynek tömege a Tejútrendszer tömegének 5000-szerese, és amely a kutatók előrejelzései szerint egy hatalmas, 300 millió fényév hosszú szállá fog szétesni.

Munkájuk eredményeit jelenleg más projektekben is felhasználják, például a galaxisok kozmológiai környezetének és a távoli kvazárok abszorpciós vonalainak vizsgálatára.

A szakcikk az arXiv.org preprint portálon érhető el.

Forrás: Kavli IPMU