Astronomowie stworzyli Drogę Mleczną

Astronomowie stworzyli Drogę MlecznąOriginal Press Release
Po dziewięciu miesiącach obliczeń na potężnym superkomputerze NASA Pleiades, komputerowa symulacja obejmująca fizyczne mechanizmy zaangażowane w powstawanie i ewolucję galaktyk stworzyła piękną galaktykę spiralną podobną do Drogi Mlecznej.

Wcześniejsze próby zmierzające do stworzenie masywnej galaktyki dyskowej, takiej jak Droga Mleczna nie powiodły się, ponieważ symulacje prowadziły do powstania galaktyki z ogromnym centralnym zgrubieniem i stosunkowo małych dyskach

Javier Guedes
UCSC

Galaktyka Eris to ogromna galaktyka spiralna z centralną poprzeczką jasnych gwiazd oraz innymi cechami strukturalnymi podobnymi do galaktyk takich jak Droga Mleczna. Jej profil jasności, stosunek rozmiarów zgrubienia centralnego do dysku, zawartość gwiazd oraz inne kluczowe cechy pasują do obserwacji Drogi Mlecznej i innych galaktyk tego typu. „Zbadaliśmy galaktykę [Eris] na wiele różnych sposobów, by mieć pewność, że pasuje ona do danych obserwacyjnych „- mówi dr Goudes.

Jak wyjaśnia współautor badań, prof. Piero Madau na UCSC, projekt wymagał ogromnej ilości czasu obliczeniowego, w tym 1 400 000 procesoro-godzin na najnowocześniejszym superkomputerze NASA Plejady, a także dodatkowych symulacji na superkomputerach w Santa Cruz i Szwajcarskim Centrum Superkomputerowym. „Podjęliśmy pewne ryzyko, przeznaczając ogromne ilości czasu superkomputerów do symulacji jednej galaktyki z bardzo wysoką rozdzielczością „- mówi prof. Madau.

Wyniki wspierają dominującą teorię „zimnej, ciemnej materii”, wg której ewolucja struktur we Wszechświecie jest sterowana przez oddziaływania grawitacyjne ciemnej materii („ciemnej”, bowiem jest ona niewidoczna, a „zimnej”, ponieważ jej cząstki  poruszają się powoli). Grawitacja początkowo oddziałuje na niewielkie fluktuacje gęstości obecne wkrótce po Wielkim Wybuchu, ściągając ku sobie pierwsze skupienia ciemnej materii, która rozrasta się w coraz większe zgrupowania poprzez hierarchiczne łączenie mniejszych cegiełek. Zwykła materia, z której zbudowane są gwiazdy i planety, a która stanowi mniej niż 20 procent materii Wszechświata, opada do studni grawitacyjnych, stworzonych przez duże skupiska ciemnej materii, dając początek galaktykom powstającym w centralnych obszarach ogromnych otoczek ciemnej materii.

Jednak prowadzone w czasie ostatnich 20 lat próby odtworzenia tych procesów w symulacjach komputerowych nie potrafiły  wygenerować masywnych galaktyk dyskowych o wyglądzie Drogi Mlecznej, z jej spiralnymi ramionami w dużym dysku otaczającym niewielkie zgrubienie centralny składające się ze starych gwiazd. Madau podkreśla, że kluczem do sukcesu Eris było stworzenie realistycznej symulacji powstawania gwiazd.

„Formowania się gwiazd w prawdziwych galaktykach następuje w gromadach a odtworzenie tego procesu w symulacji kosmologicznej jest bardzo trudne „- mówi prof. Madau. -” To pierwsza symulacja, która jest w stanie rozwiązać wysokiej gęstości obłoki gazu, gdzie następuje produkcja gwiazd, a jej wynikiem jest stworzenie galaktyki podobnej do Drogi Mlecznej – z małym centralnym zgrubieniem i dużym dyskiem. To pokazuje, że scenariusz zimnej, ciemnej materii, w którym  materia ta stanowi rusztowanie dla formowania się galaktyk, jest w stanie wygenerować realistyczną, zdominowaną przez dysk, galaktykę.”

Aby przeprowadzić symulację Eris naukowcy zaczęli od przeprowadzenia symulacji ewolucji do postaci halo ciemnej materii w niskiej rozdzielczości. Następnie wybrali halo z odpowiednią masę i historią zlewania się by była w stanie być macierzystym obiektem dla galaktyki takiej jak Droga Mleczna po czym „cofnęli taśmę” do warunków początkowych. Skupiając się na tym małym obszarze, który przekształcił się w wybrane halo, dodali cząsteczki gazu i znacznie zwiększyli rozdzielczość symulacji. Wysoka rozdzielczość oznacza śledzenie interakcji ogromnej liczby cząstek.

„Symulacja śledzi interakcję ponad 60 milionów cząstek ciemnej materii i gazu. Kod symuluje wiele procesów fizycznych: grawitację i hydrodynamikę, formowanie się gwiazd i wybuchy supernowych – i jest to najwyższej rozdzielczość symulacja kosmologiczna zrobiona w ten sposób „- mówi Guedes.

Wysoka rozdzielczość pozwoliła na skorzystanie z bardziej precyzyjnych przepisów tworzenie się gwiazd. W symulacji o niskiej rozdzielczości, z gęstościami gazu uśrednianymi się stosunkowo dużych obszarach, próg gęstości powstawania gwiazd musi być ustawiony na tyle nisko, że gwiazdy mają tendencję do tworzenia się z rozproszonego w całej galaktyce gazu. W symulacji Eris, prób tworzenia się gwiazd można było ustawić wystarczająco wysoko, by powstawały one jedynie  w regionach o wysokiej gęstości, co doprowadziło do wygenerowania bardziej realistycznego rozkładu gwiazd.

Ważną konsekwencją było to, że kiedy gwiazdy eksplodowały jako supernowe w tych lokalnych regionach o wysokiej gęstości, energia wstrzykiwane do ośrodka międzygwiezdnych usuwała dużo gazu poza galaktykę. „Supernowe są odpowiedzialne za wypływ gazu z wewnętrznej części galaktyki, gdzie w przeciwnym razie tworzy się więcej gwiazd a przez to zbyt duże zgrubienie „- mówi Madau. -”  Formowania się gwiazd w gromadach i zastrzyki energii z supernowych to to, co wyróżnia tę symulację.”

Źródła:

Astrophysicists report first simulation to create a Milky Way-like galaxy

After nine months of number-crunching on a powerful supercomputer, a beautiful spiral galaxy matching our own Milky Way emerged from a computer simulation of the physics involved in galaxy formation and evolution. The simulation by researchers at the University of California, Santa Cruz, and the Institute for Theoretical Physics in Zurich solves a longstanding problem that had led some to question the prevailing cosmological model of the universe.

„Previous efforts to form a massive disk galaxy like the Milky Way had failed, because the simulated galaxies ended up with huge central bulges compared to the size of the disk,” said Javiera Guedes, who recently earned her Ph.D. in astronomy and astrophysics at UC Santa Cruz and is first author of a paper on the new simulation, called „Eris.” The paper has been accepted for publication in the Astrophysical Journal.

The Eris galaxy is a massive spiral galaxy with a central „bar” of bright stars and other structural properties consistent with galaxies like the Milky Way. Its brightness profile, bulge-to-disk ratio, stellar content, and other key features are all within the range of observations of the Milky Way and other galaxies of the same type. „We dissected the galaxy in many different ways to confirm that it fits with observations,” Guedes said.

According to coauthor Piero Madau, professor of astronomy and astrophysics at UC Santa Cruz, the project required a large investment of supercomputer time, including 1.4 million processor-hours on NASA's state-of-the-art Pleiades supercomputer, plus additional supporting simulations on supercomputers at UCSC and the Swiss National Supercomputing Center. „We took some risk spending a huge amount of supercomputer time to simulate a single galaxy with extra-high resolution,” Madau said.

The results support the prevailing „cold dark matter” theory, in which the evolution of structure in the universe is driven by the gravitational interactions of dark matter („dark” because it can't be seen, and „cold” because the particles are moving slowly). Gravity acted initially on slight density fluctuations present shortly after the Big Bang, pulling together the first clumps of dark matter, which grew into larger and larger clumps through the hierarchical merging of smaller progenitors. The ordinary matter that forms stars and planets (less than 20 percent of the matter in the universe) has fallen into the „gravitational wells” created by large clumps of dark matter, giving rise to galaxies in the centers of dark matter halos.

For the past 20 years, however, efforts to reproduce this process in computer simulations have failed to generate massive disk galaxies that look anything like the Milky Way, with its spiral arms in a large flat disk around a small central bulge made up of old stars. A realistic simulation of star formation was the key to Eris's success, Madau said.

„Star formation in real galaxies occurs in a clustered fashion, and to reproduce that out of a cosmological simulation is hard,” Madau said. „This is the first simulation that is able to resolve the high-density clouds of gas where star formation occurs, and the result is a Milky Way type of galaxy with a small bulge and a big disk. It shows that the cold dark matter scenario, where dark matter provides the scaffolding for galaxy formation, is able to generate realistic disk-dominated galaxies.”

To perform the Eris simulation, the researchers began with a low-resolution simulation of dark matter evolving to form the haloes that host present-day galaxies. Then they chose a halo with an appropriate mass and merger history to host a galaxy like the Milky Way and „rewound the tape” back to the initial conditions. Zooming in on the small region that evolved into the chosen halo, they added gas particles and greatly increased the resolution of the simulation. High resolution means tracking the interactions of a huge number of particles.

„The simulation follows the interactions of more than 60 million particles of dark matter and gas. A lot of physics goes into the code–gravity and hydrodynamics, star formation and supernova explosions–and this is the highest resolution cosmological simulation ever done this way,” said Guedes, who is currently a postdoctoral researcher at the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich (ETH Zurich).

The high resolution allowed for a more precise recipe for star formation. In a low-resolution simulation, with gas densities averaged out over relatively large areas, the threshold density for star formation has to be set so low that stars tend to form in diffuse gas throughout the galaxy. In the Eris simulation, the star-formation threshold allowed stars to form only in high-density regions, resulting in a more realistic distribution of stars.

An important consequence is that when stars explode as supernovae within these localized, high-density regions, the energy injected into the interstellar medium blows a lot of gas out of the galaxy. „Supernovae produce outflows of gas from the inner part of the galaxy where it would otherwise form more stars and make a large bulge,” Madau said. „Clustered star formation and energy injection from supernovae are making the difference in this simulation.”

In addition to Madau and Guedes, the coauthors of the paper are Simone Callegari and Lucio Mayer of the Institute for Theoretical Physics in Zurich. This research was funded by NASA, the U.S. National Science Foundation, the Swiss National Science Foundation, and an ARCS Foundation fellowship to Guedes.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *