Hur uppstår galaxer som vår Vintergatan? Hur växer de och förändras över tid? Vetenskapen bakom galaxbildningen har förblivit ett pussel i årtionden, men ett team av forskare som leds av University of Arizona är ett steg närmare att hitta svar tack vare superdatorsimuleringar.

Att observera riktiga galaxer i rymden kan bara ge ögonblicksbilder i tid, så forskare som vill studera hur galaxer utvecklas under miljarder år måste återgå till datorsimuleringar. Traditionellt, astronomer har använt denna metod för att uppfinna och testa nya teorier om galaxbildning, en och en. Peter Behroozi, en biträdande professor vid UA Steward Observatory, och hans team övervann detta hinder genom att skapa miljontals olika universum på en superdator, som var och en lydde olika fysikaliska teorier för hur galaxer skulle bildas.

Resultaten, publiceras i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society , utmana grundläggande idéer om vilken roll mörk materia spelar i galaxbildning, hur galaxer utvecklas över tiden och hur de föder stjärnor.

"På datorn, vi kan skapa många olika universum och jämföra dem med det faktiska, och det låter oss ana vilka regler som leder till den vi ser, sa Behroozi, studiens huvudförfattare.

Studien är den första som skapar självständiga universum som är så exakta repliker av det verkliga:datorsimuleringar som var och en representerar en stor del av det faktiska kosmos, som innehåller 12 miljoner galaxer och spänner över tiden från 400 miljoner år efter Big Bang till idag.

Varje "Ex-Machina"-universum genomgick en serie tester för att utvärdera hur liknande galaxer uppträdde i det genererade universum jämfört med det sanna universum. Universum som mest liknade våra egna hade alla liknande underliggande fysiska regler, demonstrerar en kraftfull ny metod för att studera galaxbildning.

Resultaten från "UniverseMachine, "som författarna kallar sitt tillvägagångssätt, har hjälpt till att lösa den långvariga paradoxen om varför galaxer upphör att bilda nya stjärnor även när de behåller mycket vätgas, råvaran som stjärnorna är smidda av.

Vanliga idéer om hur galaxer bildar stjärnor involverar ett komplext samspel mellan kall gas som kollapsar under inverkan av gravitationen i täta fickor som ger upphov till stjärnor, medan andra processer motverkar stjärnbildning.

Till exempel, man tror att de flesta galaxer har supermassiva svarta hål i sina centra. Materia som faller in i dessa svarta hål utstrålar enorma energier, fungerar som kosmiska blåslampor som hindrar gasen från att svalna tillräckligt för att kollapsa till stellar plantskolor. Liknande, stjärnor som slutar sina liv i supernovaexplosioner bidrar till denna process. Mörk materia, för, spelar en stor roll, eftersom det tillhandahåller det mesta av gravitationskraften som verkar på den synliga materien i en galax, dra in kall gas från galaxens omgivning och värma upp den i processen.

"När vi går tillbaka tidigare och tidigare i universum, vi skulle förvänta oss att den mörka materien skulle vara tätare, och därför blir gasen varmare och varmare. Detta är dåligt för stjärnbildning, så vi trodde att många galaxer i det tidiga universum borde ha slutat bilda stjärnor för länge sedan, " Sa Behroozi. "Men vi fann motsatsen:galaxer av en given storlek var mer benägna att bilda stjärnor i en högre hastighet, mot förväntningarna."

För att matcha observationer av faktiska galaxer, Behroozi förklarade, hans team var tvungna att skapa virtuella universum där motsatsen var fallet – universum där galaxer höll på att köra ut stjärnor mycket längre.

Om, å andra sidan, forskarna skapade universum baserade på nuvarande teorier om galaxbildning – universum där galaxerna tidigt slutade bilda stjärnor – dessa galaxer verkade mycket rödare än de galaxer vi ser på himlen.

Galaxer ser röda ut av två anledningar. Den första är uppenbar i naturen och har att göra med en galaxs ålder - om den bildades tidigare i universums historia, det kommer att gå iväg snabbare, flytta ljuset till det röda spektrumet. Astronomer kallar denna effekt rödförskjutning. Den andra orsaken är inneboende:- om en galax har slutat bilda stjärnor, den kommer att innehålla färre blå stjärnor, som vanligtvis dör ut tidigare, och bli kvar med äldre, rödare stjärnor.

"Men det ser vi inte, " sa Behroozi. "Om galaxer betedde sig som vi trodde och slutade bilda stjärnor tidigare, vårt faktiska universum skulle färgas helt fel. Med andra ord, vi tvingas dra slutsatsen att galaxer bildade stjärnor mer effektivt i de tidiga tiderna än vi trodde. Och vad detta säger oss är att energin som skapas av supermassiva svarta hål och exploderande stjärnor är mindre effektiv på att kväva stjärnbildning än vad våra teorier förutspått."

Enligt Behroozi, att skapa skenuniversum av oöverträffad komplexitet krävde ett helt nytt tillvägagångssätt som inte begränsades av datorkraft och minne, och gav tillräckligt med upplösning för att spänna över skalorna från de "små" - enskilda objekt som supernovor - till en ansenlig del av det observerbara universum.

"Simulering av en enda galax kräver 10 till 48:e beräkningsoperationer, " förklarade han. "Alla datorer på jorden tillsammans kunde inte göra detta på hundra år. Så för att bara simulera en enda galax, än mindre 12 miljoner, vi var tvungna att göra det här annorlunda."

Förutom att använda datorresurser vid NASA Ames Research Center och Leibniz-Rechenzentrum i Garching, Tyskland, teamet använde superdatorn "Ocelote" vid UA High Performance Computing-klustret. Två tusen processorer krossade uppgifterna samtidigt under tre veckor. Under forskningsprojektets gång, Behroozi och hans kollegor genererade mer än 8 miljoner universum.

"Vi tog de senaste 20 åren av astronomiska observationer och jämförde dem med de miljontals skenuniversum vi genererade, ", förklarade Behroozi. "Vi slog ihop tusentals informationsbitar för att se vilka som matchade. Såg universum vi skapade rätt ut? Om inte, vi skulle gå tillbaka och göra ändringar, och kolla igen."

För att ytterligare förstå hur galaxer kom till, Behroozi och hans kollegor planerar att utöka UniverseMachine till att inkludera morfologin hos enskilda galaxer och hur deras former utvecklas över tiden.