Modelowanie powstawania galaktyk
Zrozumienie procesów powstawania i ewolucji galaktyk jest trudne, ponieważ zaangażowanych jest tak wiele różnych procesów fizycznych poza samą grawitacją, w tym procesy związane z powstawaniem gwiazd i promieniowaniem gwiazdowym, chłodzeniem gazu w ośrodku międzygwiazdowym, sprzężeniem zwrotnym z akrecji czarnych dziur, polami magnetycznymi, promieniowaniem kosmicznym i wiele więcej. Astronomowie wykorzystali symulacje komputerowe powstawania galaktyk, aby zrozumieć wzajemne oddziaływanie tych procesów i odpowiedzieć na pytania, na które nie można jeszcze odpowiedzieć na podstawie obserwacji, np. jak powstały pierwsze galaktyki we Wszechświecie. Symulacje procesów powstawania galaktyk wymagają spójnego modelowania wszystkich tych mechanizmów naraz, ale kluczową trudnością jest to, że każdy z nich działa w innej skali przestrzennej, co sprawia, że prawidłowe symulowanie ich wszystkich w tym samym czasie jest prawie niemożliwe. Na przykład napływ gazu z ośrodka międzygalaktycznego do galaktyk ma miejsce na przestrzeni milionów lat świetlnych, wiatry gwiazdowe oddziałują na odległość setek lat świetlnych, podczas gdy sprzężenie zwrotne czarnej dziury z jej dysku akrecyjnego zachodzi w skali tysięcznej części roku świetlnego.
Astronomowie CfA, Rahul Kannan i Lars Hernquist, wraz ze swoimi współpracownikami, opracowali nowatorski model obliczeniowy, który konsekwentnie obejmuje wszystkie te efekty. Obliczenia wykorzystują nową strukturę sprzężenia zwrotnego gwiazdy zwaną Stars and Multiphase Gas in Galaxies (SMUGGLE), która integruje procesy obejmujące promieniowanie, pył, wodór molekularny (dominujący składnik ośrodka międzygwiazdowego), a także obejmuje modelowanie termiczne i chemiczne. Sprzężenie zwrotne SMUGGLE jest włączone do popularnego kodu hydrodynamicznego AREPO, który symuluje ewolucję struktur i ma dodatkowy moduł obejmujący efekty promieniowania.
Astronomowie wykorzystują symulację Drogi Mlecznej do testowania swoich wyników i zgłaszają bardzo dobrą zgodność z obserwacjami. Okazało się, że efekt sprzężenia zwrotnego promieniowania na tempo powstawania gwiazd jest dość skromne, przynajmniej na przykładzie Drogi Mlecznej, gdzie gwiazdy formują się w tempie 2-3 mas Słońca na rok. Z drugiej strony odkrywają, że promieniowanie z gwiazd drastycznie zmienia strukturę i ogrzewanie ośrodka międzygwiazdowego, wpływając na rozkład gorącej, zimnej i ciepłej materii, która odbiega od prostych oczekiwań. Kod dobrze symuluje rozkład temperatury pyłu z ciepłym pyłem leżącym (zgodnie z oczekiwaniami) w pobliżu obszarów gwiazdotwórczych, ale z zimnym pyłem, być może tak chłodnym, jak 10 kelwinów, rozproszonym dalej. Sukces tych nowych symulacji motywuje autorów do rozszerzenia ich pracy na symulacje przy jeszcze większej rozdzielczości przestrzennej.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
