Nhiều quá trình trong vật lý thiên văn diễn ra trong một thời gian rất dài, điều này gây khó khăn cho việc nghiên cứu sự tiến hóa của chúng. Ví dụ, một ngôi sao giống như mặt trời của chúng ta khoảng 10 tỷ năm tuổi và các thiên hà tiến hóa trong hàng tỷ năm.

Một cách các nhà vật lý thiên văn tiếp cận điều này là nhìn vào các vật thể khác nhau để so sánh chúng ở các giai đoạn phát triển khác nhau. Họ cũng có thể nhìn vào các vật thể ở xa để nhìn lại một cách hiệu quả, do khoảng thời gian ánh sáng truyền đến kính thiên văn của chúng ta mất nhiều thời gian. Ví dụ, nếu chúng ta nhìn vào một vật thể cách chúng ta 10 tỷ năm ánh sáng, chúng ta thấy nó giống như cách đây 10 tỷ năm.

Theo một nghiên cứu mới được công bố ngày 2 tháng 6 năm 2022 trên tạp chí này, lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các mô phỏng tái tạo vòng đời đầy đủ của một số nhóm thiên hà lớn nhất được quan sát trong vũ trụ xa xôi cách đây 11 tỷ năm. thiên văn học tự nhiên.

Mô phỏng vũ trụ là điều cần thiết để nghiên cứu cách vũ trụ hình thành như ngày nay, nhưng nhiều mô phỏng trong số chúng thường không khớp với những gì các nhà thiên văn quan sát qua kính thiên văn. Hầu hết được thiết kế để phù hợp với vũ trụ thực chỉ theo nghĩa thống kê. Mặt khác, các mô phỏng vũ trụ hạn chế được thiết kế để tái tạo các cấu trúc mà chúng ta thực sự quan sát được trong vũ trụ. Tuy nhiên, hầu hết các mô phỏng hiện tại thuộc loại này đã được áp dụng cho vũ trụ địa phương của chúng ta, nghĩa là nó gần Trái đất, nhưng chưa bao giờ được áp dụng cho các quan sát về vũ trụ xa xôi.

Một nhóm các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi Viện Vật lý và Toán học Kavli của nhà nghiên cứu Dự án Vũ trụ và tác giả đầu tiên Metin Ata và phó giáo sư dự án Khe-Jan Lee, đã quan tâm đến các cấu trúc xa xôi như các cụm thiên hà khổng lồ, là tổ tiên của ngày nay. Các cụm thiên hà trước khi chúng kết tụ lại dưới tác động của lực hấp dẫn. Họ nhận thấy rằng các nghiên cứu hiện tại về các cụm nguyên sinh xa đôi khi được đơn giản hóa quá mức, có nghĩa là chúng được tiến hành bằng các mô hình đơn giản hơn là mô phỏng.

Ảnh chụp màn hình từ mô phỏng cho thấy (trên cùng) sự phân bố của vật chất tương ứng với sự phân bố của các thiên hà được quan sát trong thời gian di chuyển ánh sáng là 11 tỷ năm (khi vũ trụ chỉ có 2,76 tỷ năm hay 20% so với tuổi hiện tại) và (dưới cùng ) sự phân bố của vật chất trong cùng một khu vực sau 11 tỷ năm. Một tỷ năm ánh sáng hoặc lâu hơn. Nhà cung cấp: Ata và cộng sự.

Atta nói: “Chúng tôi muốn cố gắng phát triển một mô phỏng hoàn chỉnh của vũ trụ thực xa xôi để xem các cấu trúc bắt đầu như thế nào và chúng kết thúc như thế nào.

Kết quả của họ là COSTCO (Mô phỏng trường hạn chế COsmos).

Anh ấy nói với tôi rằng phát triển một mô phỏng cũng giống như xây dựng một cỗ máy thời gian. Vì ánh sáng từ vũ trụ xa xôi hiện chỉ chiếu tới Trái đất, nên các kính viễn vọng thiên hà mà bạn phát hiện ngày hôm nay là một bức ảnh chụp nhanh của quá khứ.

“Nó giống như việc tìm một bức ảnh đen trắng cũ của ông nội bạn và làm một video về cuộc đời của ông ấy,” anh nói.

Theo ý nghĩa này, các nhà nghiên cứu đã chụp nhanh các thiên hà tổ tiên “trẻ” trong vũ trụ và sau đó nhanh chóng nâng cao tuổi của chúng để nghiên cứu cách các cụm thiên hà hình thành.

Ánh sáng từ các thiên hà mà các nhà nghiên cứu sử dụng đã truyền đi cách chúng ta 11 tỷ năm ánh sáng.

Thách thức lớn nhất là phải tính đến môi trường quy mô lớn.

“Đây là một điều rất quan trọng đối với số phận của những cấu trúc đó cho dù chúng bị cô lập hay liên quan đến một cấu trúc lớn hơn. Nếu bạn không tính đến môi trường, bạn sẽ nhận được những câu trả lời hoàn toàn khác. -môi trường tỷ lệ được tính đến liên tục, bởi vì chúng tôi có một mô phỏng đầy đủ và đó là lý do tại sao dự đoán của chúng tôi ổn định hơn. “

Một lý do quan trọng khác khiến các nhà nghiên cứu tạo ra mô phỏng này là để kiểm tra Mô hình chuẩn của vũ trụ học, được sử dụng để mô tả vật lý của vũ trụ. Bằng cách dự đoán khối lượng cuối cùng và sự phân bố cuối cùng của các cấu trúc ở một vị trí cụ thể, các nhà nghiên cứu có thể tiết lộ những mâu thuẫn chưa được phát hiện trước đây trong hiểu biết hiện tại của chúng ta về vũ trụ.

Sử dụng mô phỏng của họ, các nhà nghiên cứu có thể tìm thấy bằng chứng cho thấy ba nhóm nguyên sinh đã tồn tại và một cấu trúc bị xáo trộn. Hơn nữa, họ có thể xác định năm cấu trúc khác đang liên tục hình thành trong các mô phỏng của họ. Điều này bao gồm siêu siêu lớp tiền nhân Hyperion, siêu siêu lớp tiền thân lớn nhất và lâu đời nhất được biết đến ngày nay có khối lượng gấp 5.000 lần khối lượng của chúng ta.[{” 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