Spiraalstelsel NGC 1300. Klik om te vergroten
Onderzoekers hebben de kracht van een van 's werelds snelste supercomputers - de Earth Simulator - benut om de groei van sterrenstelsels in het vroege heelal te modelleren. Het team simuleerde het proces vanaf het begin, kort na de oerknal, toen gasklonten samenkwamen om sterren te vormen die vervolgens overgingen in grotere en grotere verzamelingen en uiteindelijk sterrenstelsels werden. Ze ontdekten dat sterrenstelsels zoals de Melkweg nu waarschijnlijk dezelfde samenstelling hebben als slechts een miljard jaar na de oerknal.
Twee astronomen hebben tot nu toe een van 's werelds grootste astrofysische simulaties uitgevoerd om de groei van sterrenstelsels te modelleren. Met behulp van de "Earth Simulator" -supercomputer in Japan, die ook wordt gebruikt voor klimaatmodellering en seismische activiteit simuleren, hebben Masao Mori van de Universiteit van Californië in Los Angeles en Masayuki Umemura aan de Universiteit van Tsukuba berekend hoe sterrenstelsels evolueerden vanaf slechts 300 miljoen jaar na de oerknal tot heden. De resultaten laten zien dat sterrenstelsels mogelijk veel sneller zijn geëvolueerd dan momenteel wordt aangenomen (Nature 440 644).
Volgens het 'hiërarchische' model worden sterrenstelsels gevormd via een bottom-up proces dat begint met de vorming van kleine gas- en sterrenklonten die vervolgens overgaan in grotere systemen. Mori en Umemura simuleerden dit proces met behulp van een krachtige 3D-hydrodynamische code in combinatie met een “spectrale synthese” -code voor een astrofysisch plasma om rekening te houden met de dynamische en chemische evolutie van een primordiaal sterrenstelsel. De simulatie van de Earth-Simulator werd uitgevoerd met een ultrahoge resolutie op basis van 1024 "rasterpunten", wat het een van de grootste berekeningen ooit in de astrofysica maakte.
Mori en Masayuki zetten de beginvoorwaarden in hun simulatie op basis van een universum van koude donkere materie, waarvan de parameters worden bepaald door metingen van de kosmische microgolfachtergrond. Deze waarnemingen, voor het eerst gedaan in 2003, laten zien dat we in een plat universum leven dat slechts 4% gewone materie, 22% donkere materie en 74% donkere energie bevat - in overeenstemming met het standaardmodel van de kosmologie. De onderzoekers vergeleken hun numerieke resultaten vervolgens rechtstreeks met waarnemingen van primitieve sterrenstelsels die Lyman-alfa-emitters worden genoemd en 'Lyman-breek'-sterrenstelsels, die astronomen in de verste en dus oudste delen van het heelal vinden.
De resultaten laten zien dat de oerbellen van gas die zich in het vroege heelal slechts 300 miljoen jaar na de oerknal vormden, inderdaad op Lyman-alfa-emitters lijken. Na ongeveer 1 miljard jaar laten de simulaties zien dat deze sterrenstelsels muteren in Lyman-breekstelsels. Na 10 miljard jaar evolutie lijken de structuren tenslotte op hedendaagse elliptische sterrenstelsels.
De simulatie voorspelt ook het mengsel van chemische elementen in de melkweg in elk stadium van zijn evolutie, en suggereert dat onze Melkweg vandaag ongeveer dezelfde samenstelling heeft als toen hij nog maar 1 miljard jaar oud was. Tot nu toe werd gedacht dat sterrenstelsels geleidelijk zijn geëvolueerd en in een periode van 10 miljard jaar zijn verrijkt met zwaardere elementen dan waterstof en helium door herhaalde stervorming en supernova-explosies.
"Onze bevinding toont aan dat de vorming van sterrenstelsels veel sneller is verlopen en dat er in slechts 1 miljard jaar een grote hoeveelheid zware elementen in sterrenstelsels is geproduceerd", zegt Mori.
Oorspronkelijke bron: Institute of Physics
