Η εξέλιξη των γαλαξιών στο σύμπαν σύμφωνα με προσομοιώσεις ταιριάζει με τις αστρονομικές παρατηρήσεις με μεγάλη λεπτομέρεια

Πηγή: Πανεπιστήμιο του Σικάγο, 6 Ιουνίου 2006

Επιστήμονες στο πανεπιστήμιο του Σικάγου έχουν υποστηρίξει ένα δημοφιλές σενάριο της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης που εξηγεί τη ρύθμιση της διευθέτησης των γαλαξιών σε όλο τον Κόσμο. Η προσομοίωση σε υπερυπολογιστές τους δείχνει πώς η σκοτεινή ύλη, ένα αόρατο υλικό άγνωστης σύνθεσης, κατεύθυνε τη φωτεινή ύλη στο σύμπαν από την αρχική ομαλή κατάσταση της, προς τον κοσμικό Ιστό των γαλαξιών και των σμηνών των γαλαξιών, που γεμίζουν το σύμπαν σήμερα. 

Αυτή η εικόνα από μια προσομοίωση σε υπερυπολογιστές που αφορά την εξέλιξη του Κόσμου παρουσιάζει ένα κύβο του εξωτερικού διαστήματος, διαστάσεων 280 εκατομμυρίων ετών φωτός. Σε αυτή τη φάση, το σύμπαν είναι 13,4 δισεκατομμυρίων ετών (το παρόν). Τα φωτεινά σημεία αντιστοιχούν στις υψηλές συγκεντρώσεις της σκοτεινής ύλης , οι οποίες συνδέονται με τις περιοχές του σχηματισμού των γαλαξιών. Η προσομοίωση δείχνει πώς η σκοτεινή ύλη έπαιξε ένα ρόλο στον σχηματισμό των σμηνών των γαλαξιών.

Οι προηγούμενες μελέτες από άλλους ερευνητές είχαν ελέγξει ήδη τα κύρια χαρακτηριστικά γνωρίσματα αυτού του σεναρίου, που ονομάζεται μοντέλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης. Η ομάδα του Σικάγου επέκτεινε κι άλλο αυτήν την υπόθεση συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων σε υπερυπολογιστές με τις νεώτερες, και πιο λεπτομερείς αστρονομικές παρατηρήσεις που είναι διαθέσιμες σήμερα. Βρήκαν λοιπόν ένα άριστο ταίριασμα, και το έκαναν χωρίς να στηρίξουν τις προσομοιώσεις τους με πολλές σύνθετες υποθέσεις.

"Το μοντέλο που χρησιμοποιούμε είναι πραγματικά πολύ απλό", λέει ο Andrey Kravtsov, καθηγητής στην αστρονομία & την αστροφυσική. "Θέλουμε να δούμε πόσο καλά μπορεί να πάει αυτό το πλαίσιο με έναν ελάχιστο αριθμό υποθέσεων".

Τα πιο πάνω συμπεράσματα δημοσιεύονται από τους Kravtsov, Charlie Conroy και Risa Wechsler στο Αστροφυσικό Περιοδικό.

Οι προσομοιώσεις, που η ομάδα του Kravtsov διεύθυνε επί δύο χρόνια, είχαν προβλέψει ότι οι γαλαξίες με διαφορετική φωτεινότητα θα συγκεντρώνονταν διαφορετικά όταν το σύμπαν ήταν πιο νέο από ό,τι είναι σήμερα. Η εργασία τους ελέγχει αυτή την πρόβλεψη και δείχνει ότι παρόμοιες διαφορές εμφανίζονται και στα πρόσφατα στοιχεία. 

"Στα αρχικά στάδια της εξέλιξης του σύμπαντος, κάθε γαλαξίας έχει μια υψηλή πιθανότητα μα έχει κοντά του ένα γείτονα με  παρόμοια φωτεινότητα", λέει ο Kravtsov, πολύ περισσότερο από ό,τι έχουν οι γαλαξίες σήμερα. "Αυτό που προβλέφθηκε είναι αυτό που οι παρατηρήσεις φαίνονται τώρα να μας παρουσιάζουν."

Τα στοιχεία που η ομάδα Kravtsov σύγκρινε με τις προσομοιώσεις της προήλθαν από την έρευνα DEEP2, και από την ψηφιακή έρευνα του ουρανού Sloan.

Χρησιμοποιώντας τα τηλεσκόπια των 10 μέτρων Keck στη Χαβάη, το DEEP2 έκανε λεπτομερείς παρατηρήσεις για το πώς ήταν συγκεντρωμένοι οι γαλαξίες πριν επτά δισεκατομμύρια έτη, όταν ο κόσμος είχε περίπου τη μισή από την τρέχουσα ηλικία του. Η έρευνα Sloan, εν τω μεταξύ, έδωσε πρόσθετα στοιχεία σχετικά με τη συγκέντρωση των γαλαξιών από τις πιο πρόσφατες εποχές στην ιστορία του κόσμου.

"Έχουμε ουσιαστικά τα στοιχεία όσον αφορά την κατανομή των γαλαξιών στο μεγαλύτερο τμήμα της εξέλιξης του κόσμου, και τα στοιχεία είναι ακριβή", είπε ο Kravtsov. "Αν και οι μετρήσεις για τις προηγούμενες εποχές έχουν περισσότερα λάθη, λόγω των λιγότερων στοιχείων, η ακρίβεια και η δύναμή τους  να κοντραριστούν με τα θεωρητικά μοντέλα είναι αρκετά αξιοπρόσεκτη".

Οι επιστήμονες του Σικάγου βάσισαν τις προσομοιώσεις των υπερυπολογιστών τους υποθέτοντας ότι οι γαλαξίες διαμορφώνουν στο κέντρο των φωτοστεφάνων της σκοτεινής ύλης.

Σύμφωνα με αυτό το σχέδιο, η βαρύτητα αναγκάζει την σκοτεινό ύλη σε αυτές τις περιοχές να καταρρεύσει στους φωτοστεφάνους. Αυτοί οι φωτοστέφανοι εξασφαλίζουν μια κεντρική θέση, όπου η κανονική ύλη που αποτελείται από υδρογόνο, ήλιο και ένα μικρό ποσό βαρύτερων στοιχείων θα συγκεντρωνόταν σε αεριώδη μορφή. Μόλις ψυχθεί αυτό το αέριο και συμπυκνωθεί, πετυχαίνει μια ικανοποιητική πυκνότητα για το σχηματισμό των αστεριών σε μια γαλαξιακή κλίμακα.

Η ομάδα του Σικάγου σύγκρινε την κατανομή των γαλαξιών στον κυβερνο-κόσμο της με τον πραγματικό, βγάζοντας ότι το σχέδιο λειτουργούσε εξαιρετικά καλά. "Δεν ήταν εγγυημένο ότι θα λειτουργούσε πραγματικά τόσο καλά στην αναπαραγωγή των στοιχείων", αναφέρει ο ίδιος.

Οι προσομοιώσεις του Σικάγου υποστηρίζουν την ιδέα ότι το σύμπαν συμπεριφέρεται με τρόπο, όπως το σενάριο της ψυχρής σκοτεινής ύλης, που λέει πώς οι γαλαξίες τείνουν να σχηματιστούν σε περιοχές με υψηλή πυκνότητα της σκοτεινής ύλης.

"Καταλαβαίνουμε την κατανομή αυτών των φωτοστεφάνων της σκοτεινής ύλης, και η επίπτωση αυτής της ανάλυσης είναι ότι καταλαβαίνουμε επίσης πώς συσχετίζονται οι ιδιότητες αυτών των φωτοστεφάνων με τη φωτεινότητα των γαλαξιών, το πόσο φωτεινός είναι ο γαλαξίας", εξηγεί ο Kravtsov.

Οι φωτεινότεροι γαλαξίες επίσης βρίσκονται στις δομές πολύ μεγάλης κλίμακας . "Εάν εξετάζετε τους πιο εξασθενημένους γαλαξίες, η κατανομή τους γίνεται πιο διάχυτη.