Skärmdumpar från simuleringen visar (överst) fördelningen av materia som motsvarar den observerade galaxfördelningen vid en ljusvandringstid på 11 miljarder år (när universum bara var 2,76 miljarder år gammalt eller 20 % av sin nuvarande ålder), och (nederst) distribution av materia i samma region efter 11 miljarder ljusår eller motsvarande vår nuvarande tid. Kredit:Ata et al.
För första gången har forskare skapat simuleringar som direkt återskapar hela livscykeln för några av de största samlingarna av galaxer som observerades i det avlägsna universum för 11 miljarder år sedan, rapporterar en ny studie i Nature Astronomy .
Kosmologiska simuleringar är avgörande för att avgöra hur universum blev den form det är idag, men många stämmer vanligtvis inte överens med vad astronomer observerar genom teleskop. De flesta är utformade för att matcha det verkliga universum endast i statistisk mening. Begränsade kosmologiska simuleringar, å andra sidan, är utformade för att direkt reproducera de strukturer vi faktiskt observerar. De flesta existerande simuleringar av detta slag har dock tillämpats på vårt lokaluniversum, alltså nära jorden, men aldrig för observationer av det avlägsna universum.
Ett team av forskare, ledda av Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe Project Researcher och första författaren Metin Ata och Project Assistant Professor Khee-Gan Lee, var intresserade av avlägsna strukturer som massiva galaxprotokluster, som är förfäder till dagens galaxhopar innan de kunde klumpa ihop sig under sin egen gravitation. De fann att aktuella studier av avlägsna protokluster ibland var alltför förenklade, vilket innebär att de gjordes med enkla modeller och inte simuleringar.
"Vi ville testa att utveckla en fullständig simulering av det verkliga avlägsna universum för att se hur strukturer började och hur de slutade," sa Ata.
Deras resultat blev COSTCO (Constrained Simulations of The COsmos Field).
Lee sa att utvecklingen av simuleringen var ungefär som att bygga en tidsmaskin. Eftersom ljus från det avlägsna universum först når jorden nu är galaxerna som teleskop observerar idag en ögonblicksbild av det förflutna.
"Det är som att hitta en gammal svart-vit bild på din farfar och skapa en video av hans liv", sa han.
I denna mening tog forskarna ögonblicksbilder av "unga" morföräldrar-galaxer i universum och spolade sedan fram deras ålder för att studera hur galaxhopar skulle bildas.
Ljuset från galaxer som forskarna använde reste en sträcka på 11 miljarder ljusår för att nå oss.
Det som var mest utmanande var att ta hänsyn till den storskaliga miljön.
"Det här är något som är väldigt viktigt för de strukturernas öde oavsett om de är isolerade eller förknippade med en större struktur. Om man inte tar hänsyn till miljön så får man helt andra svar. Vi kunde ta de stora skala miljön konsekvent, eftersom vi har en fullständig simulering, och det är därför vår förutsägelse är mer stabil, säger Ata.
En annan viktig anledning till att forskarna skapade dessa simuleringar var att testa standardmodellen för kosmologi, som används för att beskriva universums fysik. Genom att förutsäga den slutliga massan och den slutliga fördelningen av strukturer i ett givet utrymme, kunde forskare avslöja tidigare oupptäckta avvikelser i vår nuvarande förståelse av universum.
Med hjälp av sina simuleringar kunde forskarna hitta bevis på tre redan publicerade galaxprotokluster och missgynna en struktur. Utöver det kunde de identifiera ytterligare fem strukturer som konsekvent bildades i deras simuleringar. Detta inkluderar Hyperion proto-superkluster, den största och tidigaste proto-superkluster som är känd idag och som är 5 000 gånger massan av vår Vintergatans galax, som forskarna upptäckte att den kommer att kollapsa till ett stort 300 miljoner ljusår glödtråd.
Deras arbete tillämpas redan på andra projekt, inklusive de för att studera galaxernas kosmologiska miljö, och absorptionslinjer för avlägsna kvasarer för att nämna några.
Detaljer om deras studie publicerades i Nature Astronomy den 2 juni. + Utforska vidare
