Hoe ontstaan ​​sterrenstelsels zoals onze Melkweg? Hoe groeien en veranderen ze in de loop van de tijd? De wetenschap achter de vorming van sterrenstelsels is al tientallen jaren een raadsel, maar een door de Universiteit van Arizona geleid team van wetenschappers is een stap dichter bij het vinden van antwoorden dankzij supercomputersimulaties.

Het observeren van echte sterrenstelsels in de ruimte kan alleen momentopnamen opleveren, dus moeten onderzoekers die willen bestuderen hoe sterrenstelsels zich over miljarden jaren ontwikkelen, terugvallen op computersimulaties. traditioneel, astronomen hebben deze benadering gebruikt om nieuwe theorieën over de vorming van sterrenstelsels te bedenken en te testen, een voor een. Peter Behroozi, een assistent-professor aan het UA Steward Observatory, en zijn team hebben deze hindernis overwonnen door miljoenen verschillende universums te genereren op een supercomputer, die elk gehoorzaamden aan verschillende fysieke theorieën over hoe sterrenstelsels zich zouden moeten vormen.

De bevindingen, gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society , fundamentele ideeën uitdagen over de rol die donkere materie speelt bij de vorming van sterrenstelsels, hoe sterrenstelsels in de loop van de tijd evolueren en hoe ze sterren voortbrengen.

"Op de computer, we kunnen veel verschillende universums creëren en ze vergelijken met de werkelijke, en dat laat ons afleiden welke regels leiden tot degene die we zien, " zei Behroozi, hoofdauteur van de studie.

De studie is de eerste die zelfconsistente universums creëert die zulke exacte replica's zijn van de echte:computersimulaties die elk een aanzienlijk deel van de werkelijke kosmos vertegenwoordigen, met 12 miljoen sterrenstelsels en verspreid over de tijd van 400 miljoen jaar na de oerknal tot heden.

Elk "Ex-Machina"-universum werd onderworpen aan een reeks tests om te evalueren hoe vergelijkbare sterrenstelsels in het gegenereerde universum verschenen in vergelijking met het echte universum. De universa die het meest op de onze leken, hadden allemaal vergelijkbare onderliggende fysieke regels, demonstreert een krachtige nieuwe benadering voor het bestuderen van de vorming van sterrenstelsels.

De resultaten van de "UniverseMachine, " zoals de auteurs hun aanpak noemen, hebben geholpen bij het oplossen van de al lang bestaande paradox waarom sterrenstelsels ophouden met het vormen van nieuwe sterren, zelfs als ze veel waterstofgas vasthouden, de grondstof waaruit sterren worden gesmeed.

Veelvoorkomende ideeën over hoe sterrenstelsels sterren vormen, houden een complexe wisselwerking in tussen koud gas dat onder invloed van de zwaartekracht instort in dichte holtes die aanleiding geven tot sterren, terwijl andere processen stervorming tegengaan.

Bijvoorbeeld, men denkt dat de meeste sterrenstelsels superzware zwarte gaten in hun centrum hebben. Materie die in deze zwarte gaten valt, straalt enorme energieën uit, fungeren als kosmische steekvlammen die voorkomen dat gas voldoende afkoelt om in te storten in stellaire kraamkamers. evenzo, sterren die hun leven beëindigen in supernova-explosies dragen bij aan dit proces. Donkere materie, te, speelt een grote rol, omdat het zorgt voor het grootste deel van de zwaartekracht die inwerkt op de zichtbare materie in een melkwegstelsel, het trekken van koud gas uit de omgeving van de melkweg en het opwarmen in het proces.

"Naarmate we steeds vroeger teruggaan in het universum, we zouden verwachten dat de donkere materie dichter zou zijn, en daarom wordt het gas steeds heter en heter. Dit is slecht voor de stervorming, dus we dachten dat veel sterrenstelsels in het vroege heelal al lang geleden hadden moeten stoppen met het vormen van sterren, "Zei Behroozi. "Maar we vonden het tegenovergestelde:sterrenstelsels van een bepaalde grootte hadden meer kans om sterren te vormen met een hogere snelheid, tegen de verwachting in."

Om waarnemingen van werkelijke sterrenstelsels te matchen, Behroosi legde uit, zijn team moest virtuele universums creëren waarin het tegenovergestelde het geval was - universums waarin sterrenstelsels veel langer sterren bleven produceren.

Indien, anderzijds, de onderzoekers creëerden universums op basis van de huidige theorieën over de vorming van sterrenstelsels - universums waarin de sterrenstelsels al vroeg stopten met het vormen van sterren - die sterrenstelsels leken veel roder dan de sterrenstelsels die we aan de hemel zien.

Sterrenstelsels lijken om twee redenen rood. De eerste is duidelijk in de natuur en heeft te maken met de leeftijd van een melkwegstelsel - als het eerder in de geschiedenis van het universum is gevormd, het zal sneller gaan, het verschuiven van het licht in het rode spectrum. Astronomen noemen dit effect roodverschuiving. De andere reden is intrinsiek:- als een melkwegstelsel is gestopt met het vormen van sterren, het zal minder blauwe sterren bevatten, die doorgaans eerder uitsterven, en worden achtergelaten met oudere, rodere sterren.

"Maar dat zien we niet, "Zei Behroozi. "Als sterrenstelsels zich gedroegen zoals we dachten en eerder zouden stoppen met het vormen van sterren, ons werkelijke universum zou helemaal verkeerd gekleurd zijn. Met andere woorden, we zijn genoodzaakt te concluderen dat sterrenstelsels in de begintijd efficiënter sterren vormden dan we dachten. En wat dit ons vertelt, is dat de energie die wordt gecreëerd door superzware zwarte gaten en exploderende sterren minder efficiënt is in het onderdrukken van stervorming dan onze theorieën voorspelden."

Volgens Behroozi, het creëren van nep-universums van ongekende complexiteit vereiste een geheel nieuwe aanpak die niet werd beperkt door rekenkracht en geheugen, en bood voldoende resolutie om de schalen van de "kleine" - individuele objecten zoals supernovae - tot een aanzienlijk deel van het waarneembare universum te overspannen.

"Het simuleren van een enkel sterrenstelsel vereist 10 tot de 48e computerbewerkingen, "legde hij uit. "Alle computers op aarde samen zouden dit in geen honderd jaar kunnen doen. Dus om een ​​enkel sterrenstelsel te simuleren, laat staan ​​12 miljoen, dat moesten we anders doen."

Naast het gebruik van computerbronnen bij het NASA Ames Research Center en het Leibniz-Rechenzentrum in Garching, Duitsland, het team gebruikte de "Ocelote"-supercomputer in het UA High Performance Computing-cluster. Tweeduizend processors verwerkten de gegevens gelijktijdig gedurende drie weken. In de loop van het onderzoeksproject, Behroozi en zijn collega's genereerden meer dan 8 miljoen universums.

"We hebben de afgelopen 20 jaar astronomische waarnemingen genomen en ze vergeleken met de miljoenen nepuniversums die we hebben gegenereerd, " legde Behroozi uit. "We hebben duizenden stukjes informatie samengevoegd om te zien welke overeenkomen. Zag het universum dat we creëerden er goed uit? Als niet, we zouden teruggaan en wijzigingen aanbrengen, en controleer opnieuw."

Om beter te begrijpen hoe sterrenstelsels zijn ontstaan, Behroozi en zijn collega's zijn van plan de UniverseMachine uit te breiden met de morfologie van individuele sterrenstelsels en hoe hun vormen in de loop van de tijd evolueren.