Astronomen erstellen „Zeitmaschinen“-Simulationen, um den Lebenszyklus der angestammten Galaxienstädte zu überwachen

Wissenschaftler entwickeln „Zeitmaschinen“-Simulationen, die den Lebenszyklus von angestammten Galaxien untersuchen.

Viele Prozesse in der Astrophysik dauern sehr lange, was es schwierig macht, ihre Entwicklung zu untersuchen. Zum Beispiel beträgt die Lebensdauer eines Sterns wie unserer Sonne etwa 10 Milliarden Jahre, und Galaxien entstehen in Milliarden von Jahren.

Eine Möglichkeit, wie Astronomen damit umgehen, besteht darin, verschiedene Objekte in verschiedenen Entwicklungsstadien zu vergleichen. Aufgrund der langen Zeit, die das Licht zurücklegt, um unsere Teleskope zu erreichen, können sie entfernte Objekte sehen. 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 Galaxien, die vor 11 Milliarden Jahren im fernen Universum gefunden wurden, direkt nachbilden, so eine neue Studie, die am 2. Juni 2022 in der Zeitschrift veröffentlicht wurde. Natürliche Astronomie.

Kosmologische Simulationen sind heute wichtig, um zu untersuchen, wie das Universum Gestalt annahm, aber viele Astronomen passen im Allgemeinen nicht zu dem, was sie mit Teleskopen beobachten. Die meisten sind so konzipiert, dass sie nur im statistischen Sinne in das reale Universum passen. Eingeschränkte kosmologische Simulationen hingegen sind darauf ausgelegt, die Strukturen, die wir tatsächlich im Universum beobachten, direkt nachzubilden. Die meisten Simulationen dieser Art wurden jedoch auf unser lokales Universum angewendet, d. h. in der Nähe der Erde, aber nie für Beobachtungen entfernter Universen verwendet.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Medin Atta, Projektforscher und Erstautor am Cowley Institute for Physics and Mathematics of the Universe, und Projektassistent Kee-Kan Lee, interessierte sich für entfernte Strukturen wie die massiven Galaxien-Protocluster, die die Vorfahren sind von heute. Bevor sich Galaxien unter ihrer eigenen Anziehungskraft ansammeln. Sie fanden heraus, dass aktuelle Studien zu entfernten Protoclustern manchmal übertrieben waren, d.h. sie wurden nicht mit einfachen Modellen und Simulationen durchgeführt.

Screenshots von Zeitmaschinensimulationen

Screenshots der Simulation (oben) Verteilung eines Objekts ähnlich der Galaxienbeobachtung, beobachtet während einer Lichtreise von 11 Milliarden Jahren (als das Universum 2,76 Milliarden Jahre oder 20 % seines aktuellen Alters hatte) und (unter) 11 Milliarden Lichtjahren danach oder einfach die Verteilung der Materie in der gleichen Region. Bildnachweis: Atta et al.

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

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Ihr Ergebnis ist COSTCO (Restricted Simulation of the Cosmos Field).

Das Erstellen einer Simulation ist wie der Bau einer Zeitmaschine, sagte Lee. Während das Licht des fernen Universums jetzt die Erde erreicht, sind Teleskope von Galaxien eine Momentaufnahme der Vergangenheit.

„Es ist, als würde man ein altes Schwarzweißbild seines Großvaters finden und ein Video seines Lebens machen“, sagte er.

In diesem Sinne machten die Forscher Schnappschüsse von den Galaxien der „jungen“ Großeltern im Universum und schickten sie dann schnell zu ihrem Alter, um zu untersuchen, wie sich Galaxienhaufen bildeten.

Das von Forschern genutzte Licht aus der Galaxie legte 11 Milliarden Lichtjahre zurück, um uns zu erreichen.

Es ist sehr schwierig, die großräumige Umgebung zu berücksichtigen.

„Ob diese Strukturen isoliert oder mit einer größeren Struktur verbunden sind, ist sehr wichtig für ihr Schicksal. Wenn Sie die Umgebung nicht berücksichtigen, erhalten Sie ganz andere Antworten“, sagte Atta.

Ein weiterer wichtiger Grund für Forscher, diese Simulationen zu erstellen, besteht darin, das kosmologische statische Modell zu testen, das zur Beschreibung der Physik des Universums verwendet wird. Durch die Vorhersage der endgültigen Masse und der endgültigen Verteilung von Strukturen in einem bestimmten Raum können Forscher bisher unentdeckte Widersprüche in unserem derzeitigen Verständnis des Universums aufdecken.

Mit ihren Simulationen konnten die Forscher drei bereits veröffentlichte Galaxien-Protocluster nachweisen und eine Struktur widerlegen. Darüber hinaus konnten sie fünf weitere Strukturen identifizieren, die sich in ihren Simulationen ständig weiterentwickeln. Dazu gehört der Hyperion-Proto-Superhaufen, der größte und früheste bekannte Proto-Superhaufen, der heute bekannt ist, mit dem 5000-fachen unseres eigenen Gewichts.[{“ attribute=““>Milky Way galaxy, which the researchers found out it will collapse into a large 300 million light year filament.

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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

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