Les scientifiques créent des simulations de “machine à voyager dans le temps” étudiant le cycle de vie des villes des galaxies ancêtres.
De nombreux processus en astrophysique prennent beaucoup de temps, ce qui rend leur évolution délicate à étudier. Par exemple, une étoile comme notre soleil a une durée de vie d’environ 10 milliards d’années et les galaxies évoluent au cours de milliards d’années.
Une façon pour les astrophysiciens de gérer cela est d’examiner différents objets pour les comparer à différents stades d’évolution. Ils peuvent également regarder des objets éloignés pour regarder efficacement dans le temps, en raison du temps que la lumière a mis à voyager pour atteindre nos télescopes. Par exemple, si nous regardons un objet à 10 milliards d’années-lumière, nous le voyons tel qu’il était il y a 10 milliards d’années.
Maintenant, pour la première fois, des chercheurs ont créé des simulations qui recréent directement le cycle de vie complet de certaines des plus grandes collections de galaxies observées dans l’univers lointain il y a 11 milliards d’années, rapporte une nouvelle étude publiée le 2 juin 2022 dans la revue astronomie naturelle.
Les simulations cosmologiques sont cruciales pour étudier comment l’univers a pris la forme qu’il est aujourd’hui, mais beaucoup ne correspondent généralement pas à ce que les astronomes observent à travers les télescopes. La plupart sont conçus pour correspondre à l’univers réel uniquement dans un sens statistique. Les simulations cosmologiques contraintes, quant à elles, sont conçues pour reproduire directement les structures que nous observons réellement dans l’univers. Cependant, la plupart des simulations existantes de ce type ont été appliquées à notre univers local, c’est-à-dire proche de la Terre, mais jamais pour des observations de l’univers lointain.
Une équipe de chercheurs, dirigée par le Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe Project Researcher et premier auteur Metin Ata et le professeur adjoint du projet Khee-Gan Lee, s’est intéressée aux structures distantes telles que les protoamas massifs de galaxies, qui sont les ancêtres de l’actuel amas de galaxies avant qu’ils ne puissent s’agglutiner sous leur propre gravité. Ils ont découvert que les études actuelles sur les protoclusters distants étaient parfois trop simplifiées, ce qui signifie qu’elles étaient réalisées avec des modèles simples et non des simulations.
Les captures d’écran de la simulation montrent (en haut) la distribution de la matière correspondant à la distribution observée des galaxies à un temps de voyage de la lumière de 11 milliards d’années (alors que l’Univers n’avait que 2,76 milliards d’années ou 20% de son âge actuel), et (en bas) la répartition de la matière dans une même région après 11 milliards d’années-lumière ou correspondant à notre époque actuelle. Crédit : Ata et al.
“Nous voulions essayer de développer une simulation complète de l’univers lointain réel pour voir comment les structures ont commencé et comment elles se sont terminées”, a déclaré Ata.
Leur résultat était COSTCO (COnstrained Simulations of The COsmos Field).
Lee a déclaré que développer la simulation ressemblait beaucoup à la construction d’une machine à voyager dans le temps. Parce que la lumière de l’univers lointain n’atteint la Terre que maintenant, les galaxies que les télescopes observent aujourd’hui sont un instantané du passé.
“C’est comme trouver une vieille photo en noir et blanc de votre grand-père et créer une vidéo de sa vie”, a-t-il déclaré.
En ce sens, les chercheurs ont pris des instantanés de «jeunes» galaxies grand-parents dans l’univers, puis ont avancé rapidement leur âge pour étudier comment les amas de galaxies se formeraient.
La lumière des galaxies utilisées par les chercheurs a parcouru une distance de 11 milliards d’années-lumière pour nous atteindre.
Le plus difficile était de prendre en compte l’environnement à grande échelle.
« C’est quelque chose qui est très important pour le sort de ces structures, qu’elles soient isolées ou associées à une structure plus grande. Si vous ne tenez pas compte de l’environnement, vous obtenez des réponses complètement différentes. Nous avons pu prendre en compte l’environnement à grande échelle de manière cohérente, car nous disposons d’une simulation complète, et c’est pourquoi notre prédiction est plus stable », a déclaré Ata.
Une autre raison importante pour laquelle les chercheurs ont créé ces simulations était de tester le modèle standard de cosmologie, qui est utilisé pour décrire la physique de l’univers. En prédisant la masse finale et la distribution finale des structures dans un espace donné, les chercheurs pourraient dévoiler des écarts non détectés auparavant dans notre compréhension actuelle de l’univers.
À l’aide de leurs simulations, les chercheurs ont pu trouver des preuves de trois protoamas de galaxies déjà publiés et défavoriser une structure. En plus de cela, ils ont pu identifier cinq autres structures qui ont été systématiquement formées dans leurs simulations. Cela inclut le proto-superamas d’Hyperion, le plus grand et le plus ancien proto-superamas connu aujourd’hui, qui représente 5000 fois la masse de notre[{” 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
