Spiralgalax NGC 1300. Klicka för förstoring
Forskare har utnyttjat kraften som en av världens snabbaste superdatorer - Earth Simulator - för att modellera tillväxten av galaxer i det tidiga universum. Teamet simulerade processen redan från början, strax efter Big Bang, när klumpar av gas samlades för att bilda stjärnor som sedan slogs samman till större och större samlingar och slutligen blev galaxer. De fann att galaxer som Vintergatan troligen har samma sammansättning nu som de gjorde bara en miljard år efter Big Bang.
Två astronomer har genomfört en av världens största astrofysik-simuleringar hittills för att modellera tillväxten av galaxer. Med hjälp av superdatorn "Earth Simulator" i Japan, som också används för klimatmodellering och simulering av seismisk aktivitet, har Masao Mori från University of California i Los Angeles och Masayuki Umemura vid University of Tsukuba beräknat hur galaxer utvecklats från bara 300 miljoner år efter Big Bang till nutid. Resultaten visar att galaxer kan ha utvecklats mycket snabbare än för närvarande trott (Nature 440 644).
Enligt den "hierarkiska" modellen bildas galaxer via en bottom-up-process som börjar med bildandet av små klumpar av gas och stjärnor som sedan smälter samman till större system. Mori och Umemura simulerade denna process med hjälp av en kraftfull 3D-hydrodynamisk kod i kombination med en "spektralsyntes" -kod för en astrofysisk plasma för att ta hänsyn till den dynamiska och kemiska utvecklingen av en primordial galax. Earth-Simulator-simuleringen utfördes med en ultrahög upplösning baserad på 1024 “rutnätpunkter”, vilket gör den till en av de största beräkningarna som någonsin har utförts inom astrofysik.
Mori och Masayuki skapade de initiala förhållandena i sin simulering baserat på ett kallt mörkt materieunivers, vars parametrar bestäms av mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Dessa observationer, som först gjordes 2003, visar att vi lever i ett plant universum som endast består av 4% vanlig materia, 22% mörk materia och 74% mörk energi - i överensstämmelse med kosmologins standardmodell. Forskarna jämförde sedan direkt sina numeriska resultat med observationer av primitiva galaxer som kallas Lyman-alfa-emitterare och "Lyman break" -galaxer, som astronomer hittar i de mest avlägsna och därför äldsta delarna av universum.
Resultaten visar att de ursprungliga gasbubblorna som bildades i det tidiga universumet bara 300 miljoner år efter Big Bang verkligen ser ut som Lyman-alfasändare. Efter cirka 1 miljard år visar simuleringarna att dessa galaxer muteras till Lyman bryter galaxer. Slutligen, efter 10 miljarder år med evolution, liknar strukturerna dagens elliptiska galaxer.
Simuleringen förutsäger också blandningen av kemiska element i galaxen i varje utvecklingsstadium och antyder att vår Vintergata har ungefär samma sammansättning idag som den gjorde när den bara var 1 miljard år gammal. Fram till nu troddes galaxer ha utvecklats gradvis och berikats i tyngre element utöver väte och helium under en period av 10 miljarder år av upprepade stjärnbildningar och supernovaxplosioner.
"Vårt resultat visar att galaxbildningen fortsatte mycket snabbare och att en stor mängd tunga element producerades i galaxer på bara 1 miljard år," säger Mori.
Ursprungskälla: Institute of Physics
