Ahli astrofisika membuat simulasi “mesin waktu” untuk mengamati siklus hidup kota-kota di galaksi leluhur

Banyak proses dalam astrofisika membutuhkan waktu lama, sehingga sulit untuk mempelajari evolusinya. Misalnya, bintang seperti matahari kita memiliki umur sekitar 10 miliar tahun, dan galaksi berevolusi selama miliaran tahun.

Salah satu cara astrofisikawan menangani hal ini adalah dengan melihat objek yang berbeda untuk membandingkannya pada tahap perkembangan yang berbeda. Anda juga dapat melihat objek yang jauh untuk melihat ke masa lalu secara efektif karena cahaya membutuhkan waktu yang sangat lama untuk mencapai teleskop kami. Misalnya, jika kita melihat objek yang berjarak 10 miliar tahun cahaya, kita melihatnya seperti 10 miliar tahun yang lalu.

Sekarang, untuk pertama kalinya, para peneliti telah menciptakan simulasi yang secara langsung menciptakan kembali seluruh siklus hidup dari beberapa kelompok galaksi terbesar yang diamati di Alam Semesta yang jauh 11 miliar tahun yang lalu, lapor sebuah studi baru yang diterbitkan dalam Journal pada 2 Juni 2022. astronomi alam.

Simulasi kosmologis sangat penting untuk mempelajari bagaimana alam semesta masuk ke bentuknya yang sekarang, tetapi banyak yang biasanya tidak cocok dengan apa yang diamati para astronom melalui teleskop. Sebagian besar dirancang untuk mencocokkan alam semesta nyata hanya dalam arti statistik. Simulasi kosmologi terbatas, di sisi lain, bertujuan untuk secara langsung mereproduksi struktur yang sebenarnya kita amati di Semesta. Namun, sebagian besar simulasi jenis ini telah diterapkan pada Alam Semesta lokal kita, yaitu di dekat Bumi, tetapi tidak pernah untuk pengamatan Alam Semesta yang jauh.

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh peneliti proyek dan penulis pertama Metin Ata dari Institut Kavli untuk Fisika dan Matematika Alam Semesta dan asisten proyek Profesor Khee-Gan Lee menaruh minat pada struktur jauh seperti protocluster galaksi masif yang merupakan nenek moyang masa kini- gugus galaksi hari sebelum mereka bisa mengumpul di bawah gravitasi mereka sendiri. Mereka menemukan bahwa studi saat ini tentang protocluster jauh terkadang terlalu disederhanakan, artinya mereka dilakukan dengan model sederhana daripada simulasi.

Tangkapan layar dari simulasi menunjukkan (atas) distribusi materi yang sesuai dengan distribusi galaksi yang diamati pada waktu perjalanan cahaya 11 miliar tahun (ketika alam semesta baru berusia 2,76 miliar tahun, atau 20% dari usianya saat ini) dan (bawah ) distribusi materi di dalamnya Wilayah setelah 11 miliar tahun cahaya atau setara dengan waktu kita sekarang. Kredit foto: Ata dkk.

“Kami ingin mencoba mengembangkan simulasi penuh Alam Semesta yang jauh untuk melihat bagaimana struktur dimulai dan bagaimana mereka berakhir,” kata Ata.

Hasilnya adalah COSTCO (Constrained Simulations of The COsmos Field).

Lee mengatakan mengembangkan simulasi mirip dengan membangun mesin waktu. Karena cahaya dari Alam Semesta yang jauh baru sekarang mencapai Bumi, teleskop galaksi yang diamati hari ini adalah potret masa lalu.

“Ini seperti menemukan foto hitam putih tua kakekmu dan membuat video kehidupannya,” katanya.

Dengan mengingat hal itu, para peneliti mengambil snapshot dari galaksi kakek-nenek “muda” di Semesta dan kemudian mempercepat usia mereka untuk mempelajari bagaimana gugus galaksi akan terbentuk.

Cahaya dari galaksi yang digunakan para peneliti menempuh jarak 11 miliar tahun cahaya untuk mencapai kita.

Tantangan terbesar adalah memperhitungkan lingkungan skala besar.

“Ini sangat penting untuk nasib struktur ini, apakah terisolasi atau terhubung ke struktur yang lebih besar. Jika Anda tidak memperhitungkan lingkungan, Anda mendapatkan jawaban yang sama sekali berbeda. Kami dapat secara konsisten memperhitungkan lingkungan skala besar karena kami memiliki simulasi penuh, dan itulah mengapa prediksi kami lebih kuat,” kata Ata.

Alasan penting lainnya para peneliti membuat simulasi ini adalah untuk menguji Model Standar Kosmologi, yang digunakan untuk menggambarkan fisika alam semesta. Dengan memprediksi massa akhir dan distribusi struktur di ruang tertentu, para peneliti dapat mengungkap perbedaan yang belum ditemukan sebelumnya dalam pemahaman kita saat ini tentang Semesta.

Dengan simulasi mereka, para peneliti dapat menemukan bukti dari tiga protocluster galaksi yang diterbitkan sebelumnya dan menolak satu struktur. Selain itu, mereka mampu mengidentifikasi lima struktur lain yang berulang kali terbentuk dalam simulasi mereka. Ini termasuk Hyperion Proto-Supercluster, proto-supercluster terbesar dan paling awal yang diketahui dengan massa 5000 kali massa kita.[{” attribute=””>Milky Way galaxy, which the researchers found out it will collapse into a large 300 million light year filament.

Their work is already being applied to other projects including those to study the cosmological environment of galaxies, and absorption lines of distant quasars to name a few.

Details of their study were published in Nature Astronomy on June 2.

Reference: “Predicted future fate of COSMOS galaxy protoclusters over 11 Gyr with constrained simulations” by Metin Ata, Khee-Gan Lee, Claudio Dalla Vecchia, Francisco-Shu Kitaura, Olga Cucciati, Brian C. Lemaux, Daichi Kashino and Thomas Müller, 2 June 2022, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-022-01693-0