Υπολογίζοντας τον σχηματισμό των συστάδων των γαλαξιών με προσομοιώσεις σε υπολογιστές

Από σελίδα του Εργαστηρίου για υπολογιστική Αστροφυσική, στο Πανεπιστήμιο του Illinois

Υπολογίζοντας το Σύμπαν: Ακτίνες-X από σμήνη Γαλαξιών σε ένα Ψυχρό και Θερμό Σύμπαν Σκοτεινής ύλης.

Τηλεσκόπια ακτίνων-X που περιστρέφονται γύρω από τη Γη, έχουν ανακαλύψει πως σμήνη γαλαξιών είναι εμβαπτισμένα στην άλω (φωτοστέφανα) αερίων θερμοκρασίας εκατομμυρίων βαθμών. Αυτό το θερμό αέριο είναι  ένα υποπροϊόν της διαδιακασίας σχηματισμού των γαλαξιών και εκπέμπει μεγάλα ποσά ενέργειας στην περιοχή των ακτίνων-Χ.

Τόσο φωτεινά είναι αυτά τα σμήνη των ακτίνων-Χ που είναι ορατά σε τεράστιες κοσμολογικές αποστάσεις. Συνεπώς, αστρονόμοι μελετούν αυτά τα σμήνη επειδή αυτοί έτσι μπορούν να χαρτογραφήσουν μεγάλης κλίμακας χώρους του Σύμπαντος. Στα υπολογιστικά αυτά κέντρα για την αστροφυσική, στο Πανεπιστήμιο του Ιλλινόις Urbana, μελετούν τον σχηματισμό των σμηνών ακτίνων-Χ μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων.

Επειδή μια διεθνής ομάδα αστρονόμων ανακάλυψε (BBC 10 Ιανουαρίου 20001) τον πιο μεγάλο σχηματισμό γαλαξιών που είναι γνωστός έως σήμερα, αυτόν που βρίσκεται στον αστερισμό του Λέοντα και σε απόσταση 6,5 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη, ετοιμάσαμε ένα αφιέρωμα πως σχηματίζονται τα τεράστια σμήνη των γαλαξιών. Συγκεκριμμένα αστρονόμοι της NASA, του Πανεπιστήμιου της Χιλής και του βρετανικού Πανεπιστήμιο Central Lancashire, που διεξήγαγαν την έρευνα, πιστεύουν ότι αυτός ο τεράστιος σχηματισμός περιέχει ασυνήθιστα υψηλό αριθμό κβάζαρ και θέτει ερωτήματα κοσμολογικής φύσεως.

Οπως είναι γνωστό η παραδοσιακή άποψη για την εξέλιξη του Σύμπαντος με δυσκολία εξηγεί πώς η βαρυτική δύναμη μπόρεσε να συγκεντρώσει τόσο μεγάλες ποσότητες ύλης σε σχετικά μικρό χρονικό διάστημα.  Πάντως, τέτοιου είδους ανακαλύψεις θεωρούνται από τους αστροφυσικούς σαν ευκαιρίες για τον έλεγχο παραδοσιακών θεωριών. Το συγκεκριμένο φαινόμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετρηθεί πόσο καλά τα κβάζαρ και οι γαλαξίες αποκαλύπτουν πόση μάζα πραγματικά βρίσκεται σε μία τόσο μεγάλη περιοχή.

Πώς γίνεται η προσομοίωση;

Ο υπολογισμός αρχίζει κατά προσέγγιση ένα δισεκατομμύριο έτη μετά από το Big Bang, όταν το σύμπαν ήταν πυκνότερο και πιό ομοιόμορφο από αυτό που είναι σήμερα. Σε αυτήν την εικόνα, ένα κλειστό δισδιάστατο σύμπαν αντιπροσωπεύεται ως η επιφάνεια μιας διαστελλόμενης σφαίρας. Ο υπολογισμός εκτελείται σε ένα τμήμα εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών φωτός στην μια διάσταση του διαγράμματος, η οποία είναι αρκετά μεγάλη για να αντιπροσωπεύει αρκετά συνολικά το Σύμπαν. Ο υπολογισμός ακολουθεί την αύξηση των αρχικά μικρών διακυμάνσεων πυκνότητας της ύλης καθώς ο κόσμος διαστέλλεται.

Για να δείτε πιό καθαρά τη διαδικασία σχηματισμού των δομών, ας επαναλάβετε την τελευταία ακολουθία και δείτε το σε ένα πλαίσιο που μετακινείται με το διαστελλόμενο Σύμπαν. Εδώ στην εικόνα βλέπετε με ποιό τρόπο οι μικρές διακυμάνσεις αυξάνονται και συγκεντρώνονται σε μεγαλύτερες δομές ύλης. Αυτή η συμπεριφορά προκαλείται από τη βαρύτητα, η οποία αφού έχει υπερνικήσει την κοσμική διαστολή, έχει έλξει ελαφρά υπέρπυκνες περιοχές σε ένα  σχηματισμό πυκνών ινών, που φαίνονται εδώ σε πράσινο χρώμα. Η διασταύρωση αυτών των ινών, που φαίνονται σε κόκκινο χρώμα, εντοπίζονται εκεί όπου σήμερα διαμορφώνονται οι άφθονες συστάδες των γαλαξιών, καθώς επίσης και οι θερμές τους άλως (φωτοστέφανα)  των ακτίνων-X.

Η προαναφερθείσα επεξήγηση δεν είναι ένα ρεαλιστικό πρότυπο του Σύμπαντος, καθώς το διάστημα αντιπροσωπεύθηκε μόνο σε δύο διαστάσεις. Με την βοήθεια των παράλληλων συνδεδεμένων υπολογιστών, οι επιστήμονες είναι σε θέση να προσομοιώσουν έναν μεγάλο τμήμα του Σύμπαντος σε υψηλή χωρική ανάλυση σε τρεις διαστάσεις. Το τετράγωνο πλαίσιο είναι τώρα ένας κύβος πλευράς 500 εκατομμυρίων ετών φωτός. Σε αυτόν τον υπολογισμό, ο κύβος υποδιαιρείται σε ένα δίκτυο 134 εκατομμύρια μικρότερων κύβων κατά προσέγγιση πλευράς ενός  εκατομμυρίου ετών φωτός. Σε κάθε μικρό κύβο λύνουν τις εξισώσεις της υδροδυναμικής για να προβλέψουν τη συμπεριφορά της πυκνότητας, της πίεσης, της θερμοκρασίας και της ταχύτητας αερίου. Εκτός από το αέριο, 50 εκατομμύρια σωματίδια σκοτεινής ύλης εξελίσσονται εκεί όπου τα σμήνη συγκεντρώνονται με τον ίδιο τρόπο με το αέριο. Το ένα τρίτο των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης είναι κρύα και τα υπόλοιπα δύο τρίτα είναι νετρίνα με μια υποτιθέμενη μάζα 7 eV.

Πίνακας 1: Αποτελέσματα υπολογισμών σε υπολογιστές με διάφορες παραμέτρους.

1η παράμετρος: Η πυκνότητα αερίου

Εδώ βλέπουμε την εξέλιξη της πυκνότητας αερίου με το κοσμικό χρόνο, ή όπως λέγεται η ερυθρά μετατόπιση. Ακριβώς όπως πριν, οι επιστήμονες επιδεικνύουν τα αποτελέσματα σε ένα πλαίσιο που κινείται με το διαστελλόμενο Σύμπαν. Η ογκομετρική τεχνική επιδεικνύει το αέριο χαμηλής πυκνότητας με μπλε και διαφανές, και το αέριο υψηλής πυκνότητας με κόκκινο χρώμα και αδιαφανές.

Αρχικά, το αέριο κατανέμεται ομαλά. Καθώς οι διακυμάνσεις της πυκνότητας αυξάνονται, βλέπουμε τις λεπτές ίνες να εμφανίζονται, πρώτα στα μικρά τμήματα, και έπειτα σε μακρύτερα σκέλη που υπερβαίνουν τα εκατό εκατομμύρια έτη φωτός σε μήκος. Μεταξύ των ινών είναι μεγάλα ημι-σφαιρικά κενά πολύ χαμηλής πυκνότητας του αερίου. Η προσομοίωση σταματά στην παρούσα εποχή, έτσι μπορούμε να συγκρίνουμε τα αποτελέσματά μας με τον πραγματικό Σύμπαν. Σημειώστε επίσης ότι η διαδικασία του σχηματισμού των δομών ταιριάζει απολύτως με τα σημερινά δεδομένα.

Η διασταύρωση των ινών παράγει τις περιοχές της πολύ υψηλής πυκνότητας αερίου, που φαίνονται εδώ στο κόκκινο χρώμα, οι οποίες είναι περιοχές για το σχηματισμό των γαλαξιών. Αν και ο σχηματισμός των γαλαξιών δεν συμπεριλαμβάνεται σε αυτήν την προσομοίωση, η χωρική κατανομή αυτών των αιχμών υψηλής πυκνότητας ταιριάζει με την παρατηρηθείσα κατανομή συστάδων γαλαξιών αρκετά καλά.

2η παράμετρος:Η θερμοκρασία αερίου

Βλέπουμε τώρα την εξέλιξη της θερμοκρασίας αερίου με το κοσμικό χρόνο. Όπως και πριν η χαμηλή θερμοκρασία του αέριου εισάγεται σαν μπλε και διαφανές και το υψηλής θερμοκρασίας αέριο καθίσταται κόκκινο και αδιαφανές. Στις ενδιάμεσες θερμοκρασίες ορίζονται τα χρώματα σύμφωνα με την κλίμακα στο πάνω δεξιά υπόδειγμα.

Το Σύμπαν παραμένει κρύο μέχρι η ερυθρή μετατόπιση γίνεται περίπου δύο. Αν και δεν είναι ορατό εδώ, το αέριο έχει αρχίσει να πέφτει σε περιοχές βαρυτικής έλξης που δημιουργούνται με τη συγκέντρωση της  σκοτεινής ύλης με ταχύτητες που φθάνουν τα διακόσια χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Στη συνέχεια το αέριο συγκρούεται με τον εαυτό του καθώς αυτό ορμά σε πυρήνες συστάδων και κύματα κλονισμού παράγονται   θερμαίνοντας το αέριο σε θερμοκρασία εκατομμυρίων βαθμών Kelvin. Το καυτότερο αέριο βρίσκεται στις διασταυρώσεις των ινών και παράγει τις φωτεινότερες συστάδες που εκπέμπουν ακτίνες-X . Θερμό αέριο 100.00 έως 1 εκατομμυρίων βαθμών σκιαγραφεί τις ίνες που είναι σχεδόν αόρατες για να παρατηρηθούν με τα τηλεσκόπια των ακτίνων-Χ.

3η παράμετρος:Η φωτεινότητα των ακτίνων X 

Εδώ βλέπουμε την εξέλιξη του σύμπαντος μέσω ενός τηλεσκοπίου ακτίνων-X . Σε κάθε σημείο στο διάστημα το ποσό των εκπεμπόμενων ακτίνων-X υπολογίζεται υποθέτοντας απλή θερμική εκπομπή λόγω πέδησης. Συνοψίζουν έπειτα οι επιστήμονες την ένταση των ακτίνων X κατά μήκος των γραμμών που περνάνε μέσω του υπολογιστικού όγκου.

Επειδή τα τηλεσκόπια των ακτίνων-X είναι ευαίσθητα μόνο σε αέρια με θερμοκρασίες παραπάνω από ένα εκατομμύριο βαθμούς Kelvin, καμία συστάδα ακτίνων-X δεν είναι ορατή μέχρι ερυθρής μετατόπισης περίπου δύο. Από εκεί και μετά, οι συστάδες των ακτίνων-X εμφανίζονται σαν μικρές σφαιρικές μπάλλες φωτός σε αντίθεση με τον σκοτεινό ουρανό των ακτίνων-X, ακριβώς όπως εμφανίζονται στον πραγματικό κόσμο.

Νοητικά ταξίδια

Στις υπόλοιπες παραγράφους, επιβιβαζόμαστε σε ένα φανταστικά διαστημικό σκάφος και ένα πανί μέσω του προσομοιούμενου Σύμπαντος, που στρέφει την προσοχή μας σε διάφορες γραμμικές αλυσίδες των συστάδων των ακτίνων X, γνωστών ως superclusters των ακτίνων X. Θα δούμε το Σύμπαν πρώτα όπως μεταβλήθηκε χρονικά η πυκνότητα αερίου, έπειτα όπως μεταβλήθηκε η θερμοκρασία αερίου, και τελικά στη μεταβολή στην φωτεινότητα των ακτίνων X.

Η  πυκνότητα του νοητικού αερίου

Η χρονική μεταβολή στην θερμοκρασία του νοητικού αερίου

Η χρονική μεταβολή στην φωτεινότητα των ακτίνων-X

Με την παραγωγή προσεκτικών συγκρίσεων μεταξύ των αριθμητικών προσομοιώσεων και του πραγματικού Σύμπαντος ελπίζουμε να μάθουμε περισσότερα για τη σύνθεση και τη κατανομή του μυστήριου σκοταδιού που εισχωρεί στο Σύμπαν, και την επίδρασή του στο σχηματισμό και την εξέλιξη των συστάδων των ακτίνων X.