Σύγκρουση γαλαξιών : Υπερυπολογιστές αναπαράγουν τις ρευστές κινήσεις του κοσμικού ντουέτο

Πηγή: Πανεπιστήμιο Σικάγου, 31 Μαΐου 2006

Μια συλλογή ατόμων και μορίων τροφοδοτεί με καύσιμα τις απέραντες κοσμικές δίνες που παράγονται από τους συγκρουόμενους γαλαξίες και υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται σύμφωνα με μερικές από τις πιο προηγμένες προσομοιώσεις με επικεφαλής τον Στέλιο Καζαντζίδη, σε υπερυπολογιστές, που έγιναν ποτέ σε αυτό το αντικείμενο.

"Διαπιστώσαμε ότι το αέριο είναι βασικό στοιχείο για να οδηγήσει την συνεξέλιξη των γαλαξιών και των μαύρων οπών με πολύ μεγάλη μάζα", λέει ο Στέλιος Καζαντζίδης, συνεργάτης  για την κοσμολογική φυσική στο πανεπιστήμιο του Ιδρύματος Kavli του Σικάγου. Αυτός και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν την εργασία τους στο astro-ph, μια online  σύνδεση αστρονομικών ερευνητικών εργασιών, επίσης προετοιμάζουν και μια άλλη μελέτη.

Η συνεργασία περιλαμβάνει το Lucio Mayer από το ελβετικό ομοσπονδιακό Ίδρυμα Τεχνολογίας στη Ζυρίχη, τη Monica Colpi, από το πανεπιστήμιο του Μιλάνου, τον Piero Madau, από το πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, τον Thomas Quinn από το πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον και τον James Wadsley από το πανεπιστήμιο McMaster του Καναδά.

"Αυτός ο τύπος της συνεργασίας έγινε δυνατός πρόσφατα μόνο, χάρις στην αυξανόμενη δύναμη των υπερυπολογιστών", αναφέρει ο Mayer. Και οι βελτιώσεις στην ανάπτυξη του κώδικα των υπολογιστών,  που περιγράφει τη σχετική φυσική βοήθησε επίσης αρκετά, συμπλήρωσε.

"Με τον συνδυασμό του κώδικα και της βελτίωσης του υλικού είναι πιθανόν να καταφέρουμε να προσομοιώσουμε ένα γεγονός σε μερικούς μήνες μόνο, αντί 4 έως 5 ετών που θέλαμε πριν λίγα χρόνια", τόνισε.

Τα συμπεράσματα είναι καλές ειδήσεις για την προτεινόμενη αποστολή LISA (Διαστημική Κεραία Συμβολομέτρων Λέιζερ) της NASA. Η αποστολή θα ξεκινήσει το 2015, και ο αρχικός στόχος LISA είναι να αναζητηθούν στον πρώιμο κόσμο τα βαρυτικά κύματα. Αυτά τα κύματα, ποτέ δεν έχουν ανιχνευτεί άμεσα, όπως προβλέπονται στη θεωρία της γενικής σχετικότητας.

"Στις πρώτες στογμές του σύμπαντος υπήρχε πολύ αέριο στους γαλαξίες, και καθώς ο Κόσμος εξελίχθηκε το αέριο αυτό μετατράπηκε σε αστέρια", λέει ο Καζαντζίδης. Και μεγάλα ποσά αερίου σημαίνει περισσότερους συγκρουόμενους γαλαξίες και συγχωνεύσεις πολύ μεγάλων μαύρων οπών. "Αυτό είναι σημαντικό επειδή η αποστολή LISA θα ανιχνεύει τα κύματα της βαρύτητας. Και η ισχυρότερη πηγή βαρυτικών κυμάτων στον κόσμο θα προέρχεται από τις συγκρουόμενες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες", συμπλήρωσε.

Πολλοί γαλαξίες, συμπεριλαμβανομένου και του Γαλαξία μας - που περιέχει τον ήλιο μας - φιλοξενούν μαύρες τρύπες στο κέντρο τους. Αυτές οι μαύρες τρύπες είναι τόσο ισχυρές βαρυτικά που τίποτα, συμπεριλαμβανομένου και του φωτός, δεν μπορεί να δραπετεύσει από τον έλεγχό τους.

Σήμερα ο Γαλαξίας κινείται ήσυχα μέσα στο διάστημα μόνος του, αλλά μια ημέρα θα συγκρουστεί με τον κοντινότερο γείτονά του, το γαλαξία της Ανδρομέδας. Εντούτοις, ο Γαλαξίας χρησιμεύει ως ένα πρακτικό μοντέλο για τις προσομοιώσεις των συγχωνεύσεων των γαλαξιών, και φυσικά των συγχωνεύσεων των πολύ μεγάλων μαύρων τρυπών που είναι στο κέντρο τους.

Η ομάδα του Καζαντζίδης προσομοίωσε τις συγκρούσεις 25 ζευγών γαλαξιών για να προσδιορίσει τους βασικούς παράγοντες που οδηγούν στις συγχωνεύσεις των τεράστιων μαύρων οπών.

Για να συμβούν αυτές οι συγχωνεύσεις, οι γαλαξίες που τις φιλοξενούν πρέπει να συγχωνευτούν πρώτα. Δύο γαλαξίες φτωχοί σε αέριο μπορούν ή δεν μπορούν να συγχωνευτούν, ανάλογα με τη δομή των γαλαξιών. Αλλά όποτε οι γαλαξίες οι πλούσιοι σε αέριο συγκρούονται στις προσομοιώσεις, τότε οι υπερμεγέθεις μαύρος τρύπες συστηματικά ακολουθούν.

"Όσο πιο πολλές είναι οι μαύρες τρύπες που προβλέπετε να συγχωνευτούν, τόσο μεγαλύτερος θα είναι ο αριθμός των πηγών που η διαστημική αποστολή LISA θα είναι σε θέση να ανιχνεύσει", εξηγεί ο Καζαντζίδης. Καθώς οι δύο γαλαξίες αρχίζουν να συγκρούονται, το αέριο που περιέχουν χάνει ενέργεια και συγκεντρώνεται στους αντίστοιχους πυρήνες τους. Αυτή η διαδικασία αυξάνει την πυκνότητα και τη σταθερότητα των γαλαξιακών πυρήνων. Όταν αυτοί οι πυρήνες συγχωνεύονται, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που φιλοξενούν, επίσης, αρχίζουν τη συγχώνευση. Κι όταν αυτοί οι πυρήνες αρχίζουν να αναστατώνονται, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες τους αποτυγχάνουν να συγχωνευθούν.

Η κάθε προσομοίωση, που έγινε από τον Στέλιο Καζαντζίδη, χρειάστηκε έναν περίπου μήνα χρόνο σε υπερυπολογιστές για να τελειώσει, είτε στο πανεπιστήμιο της Ζυρίχης, είτε στο καναδικό Ίδρυμα για τη θεωρητική αστροφυσική ή στο κέντρο υπερυπολογιστών του Πίτσμπουργκ.

Οι προσομοιώσεις αυτές είναι οι πρώτες που έγιναν για την ανίχνευση των φυσικών φαινομένων  σε πολύ διαφορετικές κλίμακες του χρόνου και του χώρου. "Ο υπολογιστής μπορεί να εστιάσει το μεγαλύτερο μέρος της ισχύος του στην περιοχή του συστήματος που συμβαίνουν πολλά πράγματα και μάλιστα συμβαίνουν με έναν γρηγορότερο ρυθμό από κάπου αλλού", λέει ο Mayer.

Όταν οι γαλαξίες συγκρούονται, τα δισεκατομμύρια άστρα που περιλαμβάνονται σε αυτούς διασκορπίζονται σε μεγάλες αποστάσεις. Αλλά τα περιβάλλοντα βαρυτικά πεδία τους αλληλεπιδρούν, εφαρμόζοντας έτσι ένα κοσμικά φρένο στα αντίστοιχα ταξίδια των δύο γαλαξιών. Οι γαλαξίες διαχωρίζονται, αλλά επιστρέφουν μαζί, επανειλημμένως, για δισεκατομμύριο χρόνια. Σε κάθε βήμα στη διαδικασία αυτή, οι γαλαξίες χάνουν την ταχύτητα και την ενέργεια τους.

"Έρχονται ολοένα πιο κοντά μέχρι το τέλος, όταν συγχωνεύονται", υποστηρίζει ο Καζαντζίδης. Οι προσομοιώσεις έχουν παραγάγει φαινόμενα που οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει στις τηλεσκοπικές παρατηρήσεις των συγκρουόμενων  γαλαξιών. Το πιο ξεχωριστό φαινόμενο μεταξύ αυτών είναι ο σχηματισμός των παλιρροιακών ουρών, ενός ρεύματος αστεριών και αερίου που εκτινάσσεται κατά τη διάρκεια της σύγκρουσης από τις ισχυρές παλιρροιακές δυνάμεις.

Σε μια μικρότερη κλίμακα, οι αστρονόμοι επίσης παρατηρούν ότι οι συγκρουόμενοι γαλαξίες αύξησε την πυρηνική δραστηριότητα, όπως υποδεικνύεται από τους φωτεινότερους πυρήνες και τον αυξανόμενο σχηματισμό αστεριών.

Παρά την επιτυχία των προσομοιώσεων, ο Καζαντζίδης και η ομάδα του θέλουν ακόμα να βελτιώσουν τα αποτελέσματά τους. "Είναι μια προσπάθεια καθημερινή ώστε να αυξηθεί η ακρίβεια του υπολογισμού", κατέληξε.