Astrophysiker erstellen „Zeitmaschinen“-Simulationen, um den Lebenszyklus von Städten in alten Galaxien zu beobachten

Viele Prozesse in der Astrophysik dauern lange, was ihre Entwicklung schwer zu untersuchen macht. Zum Beispiel hat ein Stern wie unsere Sonne eine Lebensdauer von etwa 10 Milliarden Jahren, und Galaxien entwickeln sich über Milliarden von Jahren.

Eine Möglichkeit für Astrophysiker, damit umzugehen, besteht darin, verschiedene Objekte zu betrachten, um sie in verschiedenen Entwicklungsstadien zu vergleichen. Sie können auch entfernte Objekte betrachten, um effektiv in die Zeit zurückzublicken, da das Licht lange braucht, um unsere Teleskope zu erreichen. Wenn wir beispielsweise ein Objekt in 10 Milliarden Lichtjahren Entfernung betrachten, sehen wir es so, wie es vor 10 Milliarden Jahren war.

Jetzt haben Forscher zum ersten Mal Simulationen erstellt, die den gesamten Lebenszyklus einiger der größten Ansammlungen von Galaxien, die vor 11 Milliarden Jahren im fernen Universum beobachtet wurden, direkt nachbilden, berichtet eine neue Studie, die heute am 2. Juni 2022 in der Übersicht veröffentlicht wurde natürliche Astronomie.

Kosmologische Simulationen sind entscheidend, um zu untersuchen, wie das Universum zu seiner heutigen Form kam, aber viele stimmen normalerweise nicht mit dem überein, was Astronomen durch Teleskope beobachten. Die meisten sind so konzipiert, dass sie nur im statistischen Sinne mit dem realen Universum übereinstimmen. Eingeschränkte kosmologische Simulationen hingegen sollen die Strukturen, die wir tatsächlich im Universum beobachten, direkt reproduzieren. Die meisten existierenden Simulationen dieser Art sind jedoch auf unser lokales Universum, also in Erdnähe, angewendet worden, aber nie für Beobachtungen des fernen Universums.

Ein Forscherteam unter der Leitung des Projektforschers und Erstautors Metin Ata vom Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe und des Projektassistenten Professor Khee-Gan Lee untersuchte entfernte Strukturen wie massive Galaxien-Protocluster, die die Vorfahren der aktuellen Galaxienhaufen, bevor sie unter ihrer eigenen Schwerkraft verschmelzen könnten. Sie fanden heraus, dass aktuelle Studien zu entfernten Protoclustern manchmal zu stark vereinfacht waren, was bedeutet, dass sie mit einfachen Modellen und nicht mit Simulationen durchgeführt wurden.

Screenshots aus der Simulation zeigen (oben) die Materieverteilung, die der beobachteten Verteilung von Galaxien bei einer Lichtlaufzeit von 11 Milliarden Jahren entspricht (als das Universum nur 2,76 Milliarden Jahre oder 20 % seines heutigen Alters betrug), und ( unten) die Verteilung der Materie in derselben Region nach 11 Milliarden Lichtjahren oder entsprechend unserer heutigen Zeit. Bildnachweis: Ata et al.

„Wir wollten versuchen, eine vollständige Simulation des realen fernen Universums zu entwickeln, um zu sehen, wie die Strukturen begannen und wie sie endeten“, sagte Ata.

Ihr Ergebnis war COSTCO (COnstrained Simulations of The COsmos Field).

Lee sagte, die Entwicklung der Simulation sei dem Bau einer Zeitmaschine sehr ähnlich. Da Licht aus dem fernen Universum erst jetzt die Erde erreicht, sind die Galaxien, die Teleskope heute beobachten, eine Momentaufnahme der Vergangenheit.

„Es ist, als würde man ein altes Schwarz-Weiß-Foto seines Großvaters finden und ein Video seines Lebens erstellen“, sagte er.

In diesem Sinne machten die Forscher Schnappschüsse von „jungen“ Großelterngalaxien im Universum und erhöhten dann schnell ihr Alter, um zu untersuchen, wie sich Galaxienhaufen bilden würden.

Das von den Forschern genutzte Licht der Galaxien legte eine Entfernung von 11 Milliarden Lichtjahren zurück, um uns zu erreichen.

Der schwierigste Teil war die Berücksichtigung der großräumigen Umgebung.

„Es ist etwas, das für das Schicksal dieser Strukturen sehr wichtig ist, ob sie isoliert oder mit einer größeren Struktur verbunden sind. Ignoriert man das Umfeld, bekommt man ganz andere Antworten. Wir konnten die großräumige Umgebung konsistent berücksichtigen, da wir über eine vollständige Simulation verfügen, und deshalb ist unsere Vorhersage stabiler“, sagte Ata.

Ein weiterer wichtiger Grund, warum die Forscher diese Simulationen erstellten, war der Test des Standardmodells der Kosmologie, das zur Beschreibung der Physik des Universums verwendet wird. Durch die Vorhersage der endgültigen Masse und Verteilung von Strukturen in einem bestimmten Raum könnten Forscher bisher unentdeckte Diskrepanzen in unserem aktuellen Verständnis des Universums aufdecken.

Mithilfe ihrer Simulationen konnten die Forscher Beweise für drei zuvor veröffentlichte Galaxien-Protocluster finden und eine Struktur ablehnen. Darüber hinaus konnten sie fünf weitere Strukturen identifizieren, die sich regelmäßig in ihren Simulationen bildeten. Dazu gehört der Hyperion-Proto-Superhaufen, der größte und älteste heute bekannte Proto-Superhaufen, der die 5.000-fache Masse unseres besitzt[{“ attribute=““>Milky Way galaxy, which the researchers found out it will collapse into a large 300 million light year filament.

Their work is already being applied to other projects including those to study the cosmological environment of galaxies, and absorption lines of distant quasars to name a few.

Details of their study were published in Nature Astronomy on June 2.

Reference: “Predicted future fate of COSMOS galaxy protoclusters over 11 Gyr with constrained simulations” by Metin Ata, Khee-Gan Lee, Claudio Dalla Vecchia, Francisco-Shu Kitaura, Olga Cucciati, Brian C. Lemaux, Daichi Kashino and Thomas Müller, 2 June 2022, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-022-01693-0