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    La macchina dell'universo virtuale fa luce sull'evoluzione della galassia

    Un team di scienziati guidato dall'UA ha generato milioni di universi diversi su un supercomputer, ognuna delle quali obbediva a diverse teorie fisiche su come dovrebbero formarsi le galassie. Credito:NASA, ESA, e J. Lotz e il team HFF/STScI

    Come nascono le galassie come la nostra Via Lattea? Come crescono e cambiano nel tempo? La scienza dietro la formazione delle galassie è rimasta un enigma per decenni, ma un team di scienziati dell'Università dell'Arizona è un passo più vicino alla ricerca di risposte grazie alle simulazioni dei supercomputer.

    L'osservazione di galassie reali nello spazio può fornire solo istantanee nel tempo, quindi i ricercatori che vogliono studiare come si evolvono le galassie nel corso di miliardi di anni devono tornare alle simulazioni al computer. Tradizionalmente, gli astronomi hanno utilizzato questo approccio per inventare e testare nuove teorie sulla formazione delle galassie, uno per uno. Peter Behroozi, un assistente professore all'UA Steward Observatory, e il suo team ha superato questo ostacolo generando milioni di universi diversi su un supercomputer, ognuna delle quali obbediva a diverse teorie fisiche su come dovrebbero formarsi le galassie.

    Le scoperte, pubblicato in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society , sfida le idee fondamentali sul ruolo che la materia oscura gioca nella formazione delle galassie, come le galassie si evolvono nel tempo e come danno vita alle stelle.

    "Sul computer, possiamo creare molti universi diversi e confrontarli con quello reale, e questo ci fa dedurre quali regole portano a quella che vediamo, "ha detto Behroozi, l'autore principale dello studio.

    Lo studio è il primo a creare universi autoconsistenti che sono repliche così esatte di quello reale:simulazioni al computer che rappresentano ciascuna una parte considerevole del cosmo reale, contenente 12 milioni di galassie e copre il periodo da 400 milioni di anni dopo il Big Bang fino ai giorni nostri.

    Ogni universo "Ex-Machina" è stato sottoposto a una serie di test per valutare come le galassie simili apparissero nell'universo generato rispetto all'universo vero. Gli universi più simili al nostro avevano tutti regole fisiche sottostanti simili, dimostrando un nuovo potente approccio per lo studio della formazione delle galassie.

    I risultati di "UniverseMachine, " come gli autori chiamano il loro approccio, hanno contribuito a risolvere il paradosso di vecchia data del motivo per cui le galassie cessano di formare nuove stelle anche quando conservano molto idrogeno gassoso, la materia prima da cui vengono forgiate le stelle.

    Le idee comunemente accettate su come le galassie formano le stelle implicano una complessa interazione tra il gas freddo che collassa sotto l'effetto della gravità in sacche dense che danno origine alle stelle, mentre altri processi contrastano la formazione stellare.

    Per esempio, si pensa che la maggior parte delle galassie ospiti buchi neri supermassicci al centro. La materia che cade in questi buchi neri irradia energie tremende, agendo come fiamme cosmiche che impediscono al gas di raffreddarsi abbastanza da collassare in vivai stellari. Allo stesso modo, le stelle che terminano la loro vita in esplosioni di supernova contribuiscono a questo processo. Materia oscura, pure, gioca un ruolo importante, poiché fornisce la maggior parte della forza gravitazionale che agisce sulla materia visibile in una galassia, estraendo gas freddo dai dintorni della galassia e riscaldandolo nel processo.

    "Mentre torniamo sempre più indietro nell'universo, ci aspetteremmo che la materia oscura sia più densa, e quindi il gas diventa sempre più caldo. Questo è un male per la formazione stellare, quindi avevamo pensato che molte galassie nell'universo primordiale avrebbero dovuto smettere di formare stelle molto tempo fa, "Behroozi ha detto. "Ma abbiamo scoperto il contrario:le galassie di una data dimensione avevano maggiori probabilità di formare stelle a una velocità maggiore, contrariamente alle aspettative».

    Per abbinare le osservazioni delle galassie reali, Behroozi ha spiegato, la sua squadra ha dovuto creare universi virtuali in cui era vero il contrario:universi in cui le galassie continuavano a sfornare stelle per molto più tempo.

    Se, d'altra parte, i ricercatori hanno creato universi basati sulle attuali teorie sulla formazione delle galassie - universi in cui le galassie hanno smesso di formare stelle presto - quelle galassie apparivano molto più rosse delle galassie che vediamo nel cielo.

    Le galassie appaiono rosse per due motivi. Il primo è evidente in natura e ha a che fare con l'età di una galassia:se si è formata prima nella storia dell'universo, si allontanerà più velocemente, spostando la luce nello spettro rosso. Gli astronomi chiamano questo effetto redshift. L'altro motivo è intrinseco:- se una galassia ha smesso di formare stelle, conterrà meno stelle blu, che di solito si estinguono prima, ed essere lasciato con più vecchio, stelle più rosse.

    "Ma non lo vediamo, " disse Behroozi. "Se le galassie si comportassero come pensavamo e smettessero di formare stelle prima, il nostro universo reale sarebbe colorato in modo completamente sbagliato. In altre parole, siamo costretti a concludere che le galassie formassero le stelle in modo più efficiente nei primi tempi di quanto pensassimo. E questo ci dice che l'energia creata dai buchi neri supermassicci e dalle stelle che esplodono è meno efficiente nel soffocare la formazione stellare di quanto previsto dalle nostre teorie".

    Secondo Behroozi, creare universi fittizi di complessità senza precedenti richiedeva un approccio completamente nuovo che non fosse limitato dalla potenza di calcolo e dalla memoria, e ha fornito una risoluzione sufficiente per estendere le scale dai "piccoli" oggetti individuali come le supernovae a una parte considerevole dell'universo osservabile.

    "Simulare una singola galassia richiede da 10 a 48 operazioni di calcolo, " ha spiegato. "Tutti i computer sulla Terra messi insieme non potrebbero farlo in cento anni. Quindi, per simulare solo una singola galassia, figuriamoci 12 milioni, dovevamo farlo in modo diverso".

    Oltre a utilizzare le risorse informatiche presso il NASA Ames Research Center e il Leibniz-Rechenzentrum di Garching, Germania, il team ha utilizzato il supercomputer "Ocelote" presso il cluster UA High Performance Computing. Duemila processori hanno elaborato i dati simultaneamente per tre settimane. Nel corso del progetto di ricerca, Behroozi e i suoi colleghi hanno generato più di 8 milioni di universi.

    "Abbiamo preso gli ultimi 20 anni di osservazioni astronomiche e li abbiamo confrontati con i milioni di finti universi che abbiamo generato, " Behroozi ha spiegato. "Abbiamo messo insieme migliaia di informazioni per vedere quali corrispondevano. L'universo che abbiamo creato sembrava giusto? Altrimenti, vorremmo tornare indietro e apportare modifiche, e ricontrolla."

    Per capire ulteriormente come sono nate le galassie, Behroozi e i suoi colleghi hanno in programma di espandere la UniverseMachine per includere la morfologia delle singole galassie e il modo in cui le loro forme si evolvono nel tempo.


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