Προσομοιώσεις προσφέρουν μια καινούργια θεωρία για το σχηματισμό των γαλαξιών

Πηγή: ScienceDaily, 22 Ιανουαρίου 2009

Μια νέα θεωρία για το πώς σχηματίστηκαν οι γαλαξίες στο Σύμπαν πριν δισεκατομμύρια χρόνια, διατυπώθηκε από κοσμολόγους του Πανεπιστημίου της Ιερουσαλήμ.  Η θεωρία αυτή δεν δέχεται ότι οι γαλαξίες σχηματίστηκαν μέσω των συγχωνεύσεων όπως δέχεται η επικρατούσα άποψη, αλλά μέσω ρευμάτων ύλης προς το κέντρο των γαλαξιών.

Η νέα άποψη, που ξεκίνησε τόσο από προηγμένες αστρονομικές παρατηρήσεις όσο και από προσομοιώσεις σε ισχυρούς υπολογιστές, υποστηρίζει ότι οι γαλαξίες σχηματίζονται κυρίως ως αποτέλεσμα ισχυρών κοσμικών ρευμάτων ψυχρών αερίων, κυρίως υδρογόνου, και όχι, όπως υποστηρίζει η κυρίαρχη σήμερα θεωρία, από γαλαξιακές συγχωνεύσεις. Οι ερευνητές δείχνουν πως αυτές οι συγχωνεύσεις έπαιξαν περιορισμένο ρόλο στην κοσμολογική διαμόρφωση του σύμπαντος όπως το ξέρουμε.

Μια προσομοίωση του σχηματισμού των γαλαξιών δείχνει ότι μια ροή της ύλης προς το κέντρο ενός γαλαξία μέσω τριών ρευμάτων ψυχρού αερίου. Τέτοιες εικόνες δίνουν την βάση για τη νέα θεωρία του σχηματισμού των γαλαξιών μέσω αυτών των ρευμάτων.

Τα αποτελέσματα της κοσμολογικής αυτής έρευνας, που έχουν επικεφαλή τον καθηγητή Avishai Dekel, στο Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου της Ιερουσαλήμ, εμφανίζονται σε μια πρόσφατη έκδοση του περιοδικού Nature.

Οι γαλαξίες είναι τα δομικά στοιχεία του Σύμπαντος. Κάθε ένας από αυτούς περιλαμβάνει περίπου εκατό δισεκατομμύρια αστέρια που ακτινοβολούν, όπως και ο δικός μας Ήλιος, που εκτείνονται περίπου σε μια έκταση 50.000 έτη φωτός. Κάθε γαλαξίας είναι ενσωματωμένος σε ένα σφαιρικό φωτοστέφανο (άλως) από σκοτεινή ύλη, που δεν μπορούμε μεν να την δούμε, αλλά έχει διαπιστωθεί ότι υπάρχει μέσω της βαρυτικής έλξης της. Η ακριβής φύση αυτής της ουσίας είναι ακόμη άγνωστη.

Οι γαλαξίες αποτελούνται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τους σπειροειδείς και τους ελλειπτικούς. Οι σπειροειδείς, όπως ο Γαλαξίας μας, είναι περιστρεφόμενοι δίσκοι, πλούσιοι σε υδρογόνο, που διαρκώς σχηματίζουν νέα αστέρια. Τα νεαρά αστέρια δίνουν στους σπειροειδείς γαλαξίες μια μπλε απόχρωση. Αντίθετα, οι ελλειπτικοί γαλαξίες έχουν ένα μεγαλύτερο, πιο στρογγυλεμένο σχήμα, και αποτελούνται από παλιά, κόκκινα αστέρια που στερούνται υδρογόνου. Ως εκ τούτου, αναφέρονται ως ερυθρά και νεκρά άστρα.

Η προσπάθεια να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο αυτές οι δύο μορφές γαλαξιών σχηματίζονται, είναι η κύρια πρόκληση που αντιμετωπίζει η σύγχρονη κοσμολογική έρευνα. Ο σχηματισμός των γαλαξιών αποτελεί βασικό στάδιο της κοσμολογικής διαδικασίας που οδηγεί στο σχηματισμό και της ζωής.

Το δεκτό μοντέλο μέχρι σήμερα έχει ως βάση την ιδέα του αερίου που πέφτει μέσα σε έναν κεντρικό δίσκο, ακολουθούμενη από συγχωνεύσεις μεταξύ των δίσκων. Η υπόθεση αυτή δέχεται ότι τα αστέρια σχηματίζονται αργά εντός των αέριων δίσκων, και ότι οι δίσκοι μετατρέπονται σε σφαίρες όταν συγχωνεύονται. Σε μια τέτοια συγχώνευση, η σύγκρουση των νεφών του αερίου παράγει μια μεγάλη έκρηξη σχηματισμού νέων άστρων, με ένα ρυθμό εκατοντάδες ηλιακές μάζες ανά έτος.

Το μοντέλο αυτό έχει ήδη αρχίσει να αμφισβητείται ως αποτέλεσμα αστρονομικών παρατηρήσεων με τη χρήση νέων και πιο ισχυρών τηλεσκοπίων που επιτρέπουν παρατηρήσεις σε μεγαλύτερο βάθος στο Σύμπαν, κάνοντας έτσι δυνατόν να εξεταστεί τι συνέβη στους γαλαξίες πριν περίπου δέκα δισεκατομμύρια χρόνια (ή περίπου τρία δισεκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang με το οποίο ξεκίνησε για πρώτη φορά το Σύμπαν).

"Οι μεγάλοι γαλαξίες, όπως εμφανίζονται σε αυτό το αρχικό στάδιο, πράγματι δημιούργησαν αστέρια με ταχύτατο ρυθμό, αλλά αυτό δεν φαίνεται να οφείλεται πάντα στις γαλαξιακές συγχωνεύσεις", λέει ο καθηγητής Dekel. Αυτές οι αστρονομικές παρατηρήσεις οδηγήθηκαν από ερευνητές στο Garching της Γερμανίας, με επικεφαλής τον καθηγητή Reinhard Genzel του Ινστιτούτου Max Planck, του οποίου η ομάδα συνεργάζεται με το Εβραϊκό Πανεπιστήμιο.

Το ζήτημα που προέκυψε ήταν πως αυτοί οι γαλαξίες ήταν σε θέση να σχηματίσουν αστέρια τόσο γρήγορα και σε μεγάλες ποσότητες σε τόσο πρώιμο στάδιο, χωρίς μαζικές γαλαξιακές συγχωνεύσεις.

Στο άρθρο που δημοσιεύθηκε στο Nature, ο καθηγητής Dekel και γάλλοι συνεργάτες του, εξέθεσαν το νέο τους θεωρητικό μοντέλο, το οποίο εξηγεί αυτά τα φαινόμενα που παρατηρήθηκαν. Τα ευρήματά τους βασίζονται σε προσομοιώσεις υπολογιστών που πραγματοποίησαν οι γάλλοι ερευνητές με επικεφαλής τον καθηγητή Romain Teyssier. Οι προσομοιώσεις, με τη βοήθεια ενός από τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές στην Ευρώπη, έδωσαν τη δυνατότητα με ένα πρωτοφανή τρόπο να εκτελέσουν μια λεπτομερή έρευνα για τον τρόπο που σχηματίζονταν οι γαλαξίες στις απαρχές του Σύμπαντος.

Η εικόνα που προκύπτει από τις παρατηρήσεις και την προσομοίωση είναι η οικοδόμηση του γαλαξία να προκύπτει από μια συνεχή ροή ψυχρού αερίου κατά μήκος λίγων στενών ρευμάτων και όχι από τις συγχωνεύσεις. Αυτά τα αέρια ρεύματα ακολουθούν τα νήματα του "κοσμικού ιστού", ο οποίος καθορίζει τις μεγάλης κλίμακας δομή της ύλης στο Σύμπαν, νήματα που τροφοδοτούν την άλω (φωτοστέφανο) της σκοτεινής ύλης σε πρώτη φάση. Αυτά τα ρεύματα ψυχρού αερίου διεισδύουν μέσω του φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης του κάθε γαλαξία και του καυτού αερίου που το γεμίζει και έτσι φθάνει στο κέντρο, όπου γίνονται ένας περιστρεφόμενος δίσκος. Οι δίσκοι αυτοί, που ο καθένας τους έχει τις δικές του, τοπικές, βαρυτικές δυνάμεις, σπάζει σε λίγες γιγάντιες συγκεντρώσεις στις οποίες το αέριο μετατρέπεται σε αστέρια με πολύ αποτελεσματικό τρόπο.

Στους υπολογισμούς τους, ο Dekel και η ομάδα του, δείχνουν ότι ο ρυθμός του σχηματισμού των άστρων, όπως προβλέπεται από αυτή την θεωρία, είναι συμβατή με το ρυθμό όπως παρατηρήθηκε. Οι ερευνητές αναφέρονται σε αυτούς τους μαζικούς σχηματισμού άστρων στις απαρχές του σύμπαντος, σαν Stream-Fed Galaxies (SFG). Το φαινόμενο της συγχώνευσης των γαλαξιών, σύμφωνα με αυτή την νέα άποψη, δεν ήταν ο πρωταρχικός παράγοντας όπως πιστεύει η τρέχουσα θεωρία.