Οι προσομοιώσεις γαλαξιών ταιριάζουν επιτέλους με την πραγματικότητα και παράγουν εκπληκτικές γνώσεις για την κοσμική εξέλιξη
Ο Φίλιπ Χόπκινς, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια στην Πασαντένα, του αρέσει να κάνει φάρσες με τους συναδέλφους του. Ένας ειδικός στην προσομοίωση του σχηματισμού γαλαξιών, ο Χόπκινς ξεκινά μερικές φορές τις ομιλίες του προβάλλοντας εικόνες των δημιουργιών του δίπλα σε φωτογραφίες πραγματικών γαλαξιών και αψηφώντας το κοινό του για να τους ξεχωρίσει. «Μπορούμε ακόμη και να ξεγελάσουμε τους αστρονόμους», λέει ο Hopkins, επικεφαλής της προσομοίωσης FIRE, Feedback in Realistic Environments. "Φυσικά, δεν αποτελεί εγγύηση ότι τα μοντέλα είναι ακριβή, αλλά είναι ένα είδος ελέγχου των εντέρων ότι είστε στο σωστό δρόμο."
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπάθησαν να προσομοιώσουν πώς τα τρισεκατομμύρια γαλαξίες στο παρατηρήσιμο σύμπαν προέκυψαν από σύννεφα αερίου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Όμως τα τελευταία χρόνια, χάρη σε ταχύτερους υπολογιστές και καλύτερους αλγόριθμους, οι προσομοιώσεις άρχισαν να παράγουν αποτελέσματα που αποτυπώνουν με ακρίβεια τόσο τις λεπτομέρειες των μεμονωμένων γαλαξιών όσο και τη συνολική κατανομή των μαζών και των σχημάτων τους. «Το όλο θέμα έχει φτάσει σε αυτή τη μικρή χρυσή εποχή όπου η πρόοδος έρχεται όλο και πιο γρήγορα», λέει η Tiziana Di Matteo, αριθμητική κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon στο Πίτσμπουργκ της Πενσυλβάνια και επικεφαλής της προσομοίωσης BlueTides.
Καθώς τα ψεύτικα σύμπαντα βελτιώνονται, ο ρόλος τους επίσης αλλάζει. Για δεκαετίες, οι πληροφορίες έρεαν μονόδρομα:από τους αστρονόμους που μελετούσαν πραγματικούς γαλαξίες μέχρι τους μοντελιστές που προσπαθούσαν να τους προσομοιώσουν. Τώρα, η γνώση ρέει και αντίστροφα, με τα μοντέλα να βοηθούν τους αστρονόμους, λέει ο Stephen Wilkins, ένας εξωγαλαξιακός αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Sussex στο Μπράιτον, στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος εργάζεται στο BlueTides. «Στο παρελθόν οι προσομοιώσεις προσπαθούσαν πάντα να συμβαδίζουν με τις παρατηρήσεις», λέει ο Wilkins, ο οποίος χρησιμοποιεί το BlueTides για να προβλέψει τι θα δει το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA όταν εκτοξευτεί το 2020 και κοιτάξει βαθιά στο διάστημα και πολύ πίσω στο χρόνο. "Τώρα μπορούμε να προβλέψουμε πράγματα που δεν έχουμε παρατηρήσει."
Για παράδειγμα, τα μοντέλα υποδεικνύουν ότι οι πρώτοι γαλαξίες είχαν περίεργο σχήμα τουρσί, ότι οι σπειροειδείς γαλαξίες με λεπτή γκοφρέτα είναι απροσδόκητα ανθεκτικοί σε συγκρούσεις και ότι για να εξηγηθεί η εξέλιξη του σύμπαντος, οι γαλαξίες πρέπει να σχηματίσουν αστέρια πολύ πιο αργά από τους αστροφυσικούς αναμένεται.
Οι προσομοιώσεις ακούγονται επίσης μια προειδοποιητική νότα. Μερικοί κοσμολόγοι ελπίζουν ότι ο σχηματισμός των γαλαξιών θα αποδειχθεί τελικά μια σχετικά απλή διαδικασία, που θα διέπεται από μερικούς βασικούς κανόνες. Ωστόσο, οι μοντελιστές λένε ότι τα ψεύτικα σύμπαντά τους υποδηλώνουν ότι, όπως και οι έφηβοι που ωριμάζουν, οι γαλαξίες είναι απρόβλεπτοι. Είναι δύσκολο, για παράδειγμα, να πει κανείς γιατί το ένα μετατρέπεται σε μια χαριτωμένη σπείρα, αλλά ένα άλλο εξελίσσεται σε μια σταγόνα. "Είναι σαφές από όλα όσα έχουμε κάνει ότι η φυσική του σχηματισμού γαλαξιών είναι απίστευτα ακατάστατη", λέει ο Wilkins.
Για να μπορέσετε να μαγειρέψετε ένα σύμπαν, πρέπει να γνωρίζετε τα συστατικά. Από διάφορες μετρήσεις, οι κοσμολόγοι έχουν συμπεράνει ότι μόλις το 5% της μάζας και της ενέργειας του σύμπαντος είναι συνηθισμένη ύλη όπως αυτή στα αστέρια και τους πλανήτες. Ένα άλλο 26% αποτελείται από μυστηριώδη σκοτεινή ύλη που, μέχρι στιγμής, φαίνεται να αλληλεπιδρά μόνο μέσω της βαρύτητας - και πιθανώς αποτελείται από κάποιο μη ανακαλυφθέν σωματίδιο. Το υπόλοιπο 69% είναι μια μορφή ενέργειας που τεντώνει το διάστημα και επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος. Αυτή η "σκοτεινή ενέργεια" μπορεί να είναι μια ιδιότητα του ίδιου του κενού του χώρου, γι' αυτό οι φυσικοί την αποκαλούν κοσμολογική σταθερά, που συμβολίζεται λάμδα (Λ).
Οι κοσμολόγοι γνωρίζουν επίσης τα βασικά βήματα της συνταγής. Το σύμπαν εμφανίστηκε στη Μεγάλη Έκρηξη ως μια καυτή, πυκνή σούπα υποατομικών σωματιδίων. Μέσα σε ένα λεπτό του δευτερολέπτου, υπέστη μια εκθετική έκρηξη ανάπτυξης που ονομάζεται πληθωρισμός, η οποία τέντωσε απειροελάχιστες κβαντικές διακυμάνσεις στη σωματιδιακή σούπα σε τεράστιους κυματισμούς. Σιγά-σιγά, πυκνές περιοχές σκοτεινής ύλης συγχωνεύτηκαν υπό τη δική τους βαρύτητα σε ένα τεράστιο κουβάρι από συστάδες και νήματα γνωστά ως κοσμικός ιστός. Ελκόμενο από τη βαρύτητα της σκοτεινής ύλης, το αέριο κατακάθισε στις συστάδες, που ονομάζονται επίσης φωτοστέφανοι, και συμπυκνώθηκε στις συγχωνευμένες μπάλες υδρογόνου που ονομάζονται αστέρια. 500 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, είχαν σχηματιστεί οι πρώτοι γαλαξίες. Μέσα στα επόμενα 13 δισεκατομμύρια χρόνια, θα παρασύρονται στις κοσμικές παλίρροιες της βαρύτητας και θα αναπτύσσονται συγχωνεύοντας το ένα με το άλλο.
Οι προσομοιώσεις υπολογιστή βοήθησαν στην ανάπτυξη αυτής της θεωρίας. Στη δεκαετία του 1980 έδειξαν ότι για να σχηματιστούν συστάδες αρκετά μεγάλες ώστε να δεσμεύουν τα παρατηρούμενα σμήνη γαλαξιών, τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης έπρεπε να κινούνται αργά και ψυχρά. Η βασική θεωρία, η οποία υποθέτει μια κοσμολογική σταθερά, έγινε γνωστή ως Λ ψυχρή σκοτεινή ύλη (ΛCDM). Καθώς η θεωρία γινόταν πιο εκλεπτυσμένη, το ίδιο έκαναν και οι προσομοιώσεις. Μέχρι το 2005, η προσομοίωση Millennium, με επικεφαλής ερευνητές στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής Max Planck στο Garching της Γερμανίας, παρήγαγε μια απόδοση του κοσμικού ιστού του οποίου η δομή ταίριαζε στενά με τον τρόπο με τον οποίο οι γαλαξίες είναι σκορπισμένοι στο διάστημα σε σμήνη, νήματα και φύλλα.
Ωστόσο, η Millennium και παρόμοιες προσομοιώσεις υπέφεραν από ένα θεμελιώδες μειονέκτημα. Μοντελοποίησαν τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις της σκοτεινής ύλης και μόνο, οι οποίες είναι εύκολο να προσομοιωθούν επειδή, από όσο γνωρίζουν οι επιστήμονες, η σκοτεινή ύλη ρέει μέσα της χωρίς τριβή ή αντίσταση. Μόνο από τη στιγμή που σχηματίστηκαν οι άλω, τα προγράμματα εισήγαγαν γαλαξίες διαφόρων μεγεθών και σχημάτων, ακολουθώντας ορισμένους ad hoc κανόνες. Σε τέτοιες προσομοιώσεις, «Η θεμελιώδης υπόθεση είναι ότι οι γαλαξίες καταλαμβάνουν τα φωτοστέφανα και δεν τους κάνουν τίποτα», λέει ο Yu Feng, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια (UC), στο Μπέρκλεϋ. "Η αλληλεπίδραση είναι μονόδρομη."
Τώρα, οι μοντελιστές περιλαμβάνουν τις αλληλεπιδράσεις της συνηθισμένης ύλης με τον εαυτό της και με τη σκοτεινή ύλη - διαδικασίες που είναι πολύ πιο δύσκολο να συλληφθούν. Σε αντίθεση με τη σκοτεινή ύλη, η συνηθισμένη ύλη θερμαίνεται όταν συμπιέζεται, δημιουργώντας φως και άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που στη συνέχεια σπρώχνει την ύλη γύρω. Αυτή η πολύπλοκη ανάδραση φτάνει στο ακραίο σημείο όταν σύννεφα αερίων καταρρέουν σε λαμπερά αστέρια, αστέρια ανατινάσσονται σε εκρήξεις σουπερνόβα και μαύρες τρύπες καταπίνουν αέριο και εκπέμπουν ακτινοβολία. Καθοριστικής σημασίας για τη συμπεριφορά των γαλαξιών, τέτοια φυσική πρέπει να μοντελοποιηθεί χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις της υδροδυναμικής, οι οποίες είναι εμφανώς δύσκολο να λυθούν, ακόμη και με υπερυπολογιστές.
Γενικά, οι μοντελιστές επιτίθενται στο πρόβλημα σπάζοντας το σε δισεκατομμύρια bit, είτε διαιρώντας το χώρο σε ένα τρισδιάστατο πλέγμα υποόγκων είτε μοιράζοντας τη μάζα της σκοτεινής και συνηθισμένης ύλης σε σμήνη σωματιδίων. Στη συνέχεια, η προσομοίωση παρακολουθεί τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των στοιχείων, ενώ διασχίζει τον κοσμικό χρόνο, ας πούμε, με βήματα εκατομμυρίων ετών. Οι υπολογισμοί καταπονούν ακόμη και τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές. Το BlueTides, για παράδειγμα, τρέχει στο Blue Waters—έναν υπερυπολογιστή στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην Ουρμπάνα που μπορεί να εκτελέσει 13 τετράδα δισεκατομμύρια υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο. Η απλή φόρτωση του μοντέλου καταναλώνει το 90% της διαθέσιμης μνήμης του υπολογιστή, λέει ο Feng.
Για χρόνια τέτοιες προσομοιώσεις παρήγαγαν γαλαξίες που ήταν πολύ αέριοι, ογκώδεις και φουσκωτοί. Αλλά η ισχύς του υπολογιστή έχει αυξηθεί και, το πιο σημαντικό, τα μοντέλα της ανάδρασης ακτινοβολίας-ύλης έχουν βελτιωθεί. Τώρα, οι υδροδυναμικές προσομοιώσεις έχουν αρχίσει να παράγουν τον σωστό αριθμό γαλαξιών με τις σωστές μάζες και σχήματα - σπειροειδείς δίσκους, ελλειπτικούς οκλαδόν, σφαιρικούς νάνους και ακανόνιστες μονόσφαιρες - λέει ο Volker Springel, κοσμολόγος στο Ινστιτούτο Θεωρητικών Σπουδών της Χαϊδελβέργης στη Γερμανία που εργάστηκε στο Millennium και οδηγεί την προσομοίωση Illustris. «Μέχρι πρόσφατα, το πεδίο της προσομοίωσης πάλευε να δημιουργήσει σπειροειδείς γαλαξίες», λέει. "Μόνο τα τελευταία 5 χρόνια δείξαμε ότι μπορείτε να τα φτιάξετε."
Τα μοντέλα δείχνουν τώρα ότι, όπως οι άνθρωποι, οι γαλαξίες τείνουν να περνούν από διαφορετικά στάδια ζωής, λέει ο Hopkins. Όταν είναι νέος, ένας γαλαξίας κυλά από δραστηριότητα, καθώς η μία συγχώνευση μετά την άλλη τον τεντώνει και τον παραμορφώνει, προκαλώντας εκρήξεις σχηματισμού άστρων. Μετά από μερικά δισεκατομμύρια χρόνια, ο γαλαξίας τείνει να εγκατασταθεί σε μια σχετικά ήρεμη και σταθερή μέση ηλικία. Αργότερα, μπορεί να γλιστρήσει ακόμη και στη γήρανση καθώς χάνει τα αέρια του και την ικανότητα να φτιάχνει αστέρια - μια μετάβαση που φαίνεται να κάνει τώρα ο Γαλαξίας μας, λέει ο Χόπκινς. Αλλά οι άγριες και βίαιες στροφές της εφηβείας κάνουν τη συγκεκριμένη διαδρομή οποιουδήποτε γαλαξία δύσκολο να προβλεφθεί, λέει.
Οι προσομοιώσεις απέχουν πολύ από το να είναι τέλειες. Δεν μπορούν να πλησιάσουν τη μοντελοποίηση μεμονωμένων αστεριών - παρόλο που οι προσομοιώσεις δείχνουν τη σημασία των επιδράσεων ανάδρασης σε αυτήν την κλίμακα, όπως οι άνεμοι και η ακτινοβολία από σουπερνόβα και από τις κεντρικές μαύρες τρύπες των γαλαξιών. Αντίθετα, κάθε στοιχείο πλέγματος ή σωματίδιο αντιπροσωπεύει εκατοντάδες έως εκατομμύρια ηλιακές μάζες αστεριών και αερίων, ανάλογα με την ανάλυση της προσομοίωσης. Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποιούν ad hoc κανόνες «υποπλέγματος» για να περιγράψουν πώς συμπεριφέρεται όλο αυτό το υλικό κατά μέσο όρο. "Είναι σαν να κοιτάς μέσα από ομιχλώδη γυαλιά και προσπαθείς να περιγράψεις αυτό το σχήμα που δεν μπορείς να δεις τέλεια", λέει ο Avishai Dekel, κοσμολόγος στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ και επικεφαλής της προσομοίωσης VELA.
Είναι σαφές από όλα όσα έχουμε κάνει ότι η φυσική του σχηματισμού γαλαξιών είναι απίστευτα ακατάστατη.
- Στίβεν Γουίλκινς, Πανεπιστήμιο του Σάσεξ
Αυτοί οι ad hoc κανόνες περιλαμβάνουν δεκάδες παραμέτρους που οι ερευνητές συντονίζουν για να αναπαράγουν γνωστά χαρακτηριστικά του σύμπαντος, όπως οι καταλογισμοί γαλαξιών διαφορετικών μαζών. Αυτός ο συντονισμός εγείρει το ερώτημα εάν τα μοντέλα εξηγούν την πραγματικότητα ή απλώς τη μιμούνται, όπως ένας πίνακας ζωγραφικής. Ωστόσο, οι ερευνητές λένε ότι τα μοντέλα θα πρέπει να είναι αξιόπιστα, εφόσον αποφεύγουν προβλέψεις που εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τον συντονισμό. «Δεν πρόκειται να ξεφύγουμε από τις συνταγές υποδικτύου, δεν υπάρχει περίπτωση», λέει ο Di Matteo. "Αλλά αυτό δεν είναι κάποιο είδος μαγείας. Είναι ακόμα φυσική."
Τα μοντέλα έχουν ήδη ανατρέψει κάποιες μακροχρόνιες υποθέσεις. Για παράδειγμα, οι αστροφυσικοί πίστευαν ότι όταν δύο ευαίσθητοι γαλαξίες δίσκου, όπως ο Γαλαξίας μας, συγκρούονται και συγχωνεύονται, η διαδικασία θα τους οδηγούσε σε έναν ενιαίο φουσκωτό ελλειπτικό γαλαξία. Ωστόσο, τα μοντέλα δείχνουν ότι οι σπειροειδείς γαλαξίες είναι πιο σκληροί από το αναμενόμενο, εάν περιέχουν αρκετό αέριο. "Έχετε δίσκους που επιβιώνουν εν μέρει και αναρρώνουν τόσο γρήγορα", λέει ο Springel. Αυτό το εύρημα ήταν μια μεγάλη έκπληξη, λέει ο Hopkins.
Η συνήθης εξήγηση του τι καθορίζει το μέγεθος του γαλαξία έχει επίσης καταρριφθεί, λέει η Sandra Faber, αστρονόμος στο UC Santa Cruz που συνεργάζεται με το VELA. Οι αστροφυσικοί είχαν υποθέσει ότι το μέγεθος ενός γαλαξία καθορίζεται από το σπιν του φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης που τον περιβάλλει, με τα φωτοστέφανα που περιστρέφονται ταχύτερα να παράγουν μεγαλύτερους, πιο διάχυτους γαλαξίες, λέει. Αλλά οι προσομοιώσεις δεν δείχνουν τέτοια σύνδεση, προσθέτει. «Τώρα είμαστε σε απώλεια», λέει ο Faber. "Τι κάνει έναν μεγάλο γαλαξία μεγάλο και έναν μικρό γαλαξία μικρό;"
Τα σχήματα των νεογέννητων γαλαξιών επιφέρουν άλλη μια έκπληξη. Οι περισσότεροι γαλαξίες σήμερα είναι σφαιρικοί ή πεπλατυσμένοι, σαν πεπλατυσμένες σφαίρες. Τα ελλειπτικά είναι παχιά, σαν στρογγυλά κέικ σαπουνιού. οι δίσκοι είναι πολύ πιο επίπεδοι. Αλλά τα μοντέλα προβλέπουν ότι νωρίς στο σύμπαν, οι αναδυόμενοι γαλαξίες ήταν μακρύτεροι από το πλάτος τους, λέει ο Faber. «Είναι πίκλες», λέει. "Προσπαθείς να φτιάξεις ένα τουρσί από αέριο. Δεν είναι εύκολο". Το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA έχει αρχίσει να εντοπίζει παραδείγματα αυτών των γαλαξιών σε σχήμα τουρσί, λέει.
Τα μοντέλα προβλέπουν άλλα λεπτά φαινόμενα που οι παρατηρητές μπορούν να προσπαθήσουν να εντοπίσουν. Για παράδειγμα, οι αστροφυσικοί είχαν υποθέσει ότι το αέριο ρέει σε έναν αναπτυσσόμενο γαλαξία εξίσου από όλες τις κατευθύνσεις. Ωστόσο, οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι το αέριο χύνεται σε έναν γαλαξία σε ψυχρά ρεύματα που ρέουν κατά μήκος των νημάτων της σκοτεινής ύλης που συνδέουν το φωτοστέφανό του με τον κοσμικό ιστό, λέει ο Dekel. Παρατηρητές με τη Συστοιχία Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, μια μπαταρία 66 ραδιοφωνικών πιάτων στη Χιλή, έχουν αρχίσει να κοιτάζουν στο διάστημα για ενδείξεις των ροών.
Μικρές και μεγάλες προσομοιώσεις
| Όνομα | Μέγεθος προσομοίωσης (έτη φωτός) | Αριθμός στοιχείων/σωματιδίων όγκου | Ελάχιστη μάζα στοιχείου (ηλιακές μάζες) | Εστίαση | Πρώτες εργασίες |
|---|---|---|---|---|---|
| Χιλιετία | 2,2 δισεκατομμύρια | 10 δισεκατομμύρια | 1 δισεκατομμύριο | Μόνο σκοτεινή ύλη | 2005 |
| VELA | 45 εκατομμύρια | 500 εκατομμύρια | 1000 | Μεμονωμένοι γαλαξίες | 2009 |
| ΦΩΤΙΑ | 3 εκατομμύρια–10 εκατομμύρια | Λίγες εκατοντάδες εκατομμύρια–1 δισεκατομμύριο | 200–2000 | Μεμονωμένοι γαλαξίες | 2014 |
| ΑΕΤΟΣ | 80 εκατομμύρια–325 εκατομμύρια | 100 εκατομμύρια–7 δισεκατομμύρια | 1,8 εκατομμύρια | Κοσμική εξέλιξη | 2014 |
| BlueTides | 1,9 δισεκατομμύρια | 700 δισεκατομμύρια | 2 εκατομμύρια | Πρώτοι γαλαξίες | 2015 |
| IllustrisTNG | 110 εκατομμύρια–1 δισεκατομμύριο | 270 εκατομμύρια–30 δισεκατομμύρια | 1 εκατομμύριο–10 εκατομμύρια | Κοσμική εξέλιξη | 2018 |
Οι προσομοιώσεις στοχεύουν επίσης να δοκιμάσουν τη βασική θεωρία του ΛCDM. Συγκρίνοντας πραγματικούς και προσομοιωμένους γαλαξίες, οι ερευνητές μπορούν να δοκιμάσουν την υπόθεση ότι η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά μόνο μέσω της βαρύτητας. Οποιαδήποτε ασυμφωνία μπορεί να υποδηλώνει νέες αλληλεπιδράσεις και να βοηθήσει τους θεωρητικούς των σωματιδίων να καταλάβουν τι είναι η σκοτεινή ύλη.
Καμία δεν έχει παρατηρηθεί μέχρι στιγμής, αλλά οι νεότερες προσομοιώσεις έχουν επιδιορθώσει τις αναντιστοιχίες μεταξύ των παρατηρήσεων και των προηγούμενων προσομοιώσεων της σκοτεινής ύλης. Για παράδειγμα, πριν από 20 χρόνια, αυτές οι προσομοιώσεις δημιούργησαν σμήνη μικρών φωτοστέφανων της σκοτεινής ύλης γύρω από τους μεγαλύτερους, γεγονός που υποδηλώνει ότι ένας γαλαξίας όπως ο Γαλαξίας μας θα πρέπει να περιβάλλεται από εκατοντάδες νάνους δορυφόρους γαλαξίες. Αλλά μόνο λίγοι είχαν εντοπιστεί. Αυτό το έλλειμμα ονομάστηκε πρόβλημα με τους δορυφόρους που λείπουν.
Αλλά ανακατέψτε το συνηθισμένο θέμα, και οι προβλέψεις αλλάζουν. Η βαρυτική ώθηση και έλξη μεταξύ σκοτεινής και συνηθισμένης ύλης εξομαλύνει τα πράγματα, μειώνοντας τον αριθμό των μικρών φωτοστέφανων. Σε αυτά που αναδύονται, οι άνεμοι που πυροδοτούνται από σουπερνόβα τείνουν να κατακλύζουν τη σχετικά αδύναμη βαρυτική έλξη του φωτοστέφανου και να εκτοξεύουν το αέριο, λιμοκτονώντας το φωτοστέφανο της πρώτης ύλης για να δημιουργήσουν περισσότερα αστέρια και εξαλείφοντας τον εκκολαπτόμενο γαλαξία. Συνδυάστε αυτή τη διαδικασία με το γεγονός ότι οι παρατηρητές έχουν τώρα βρει 59 νάνους γαλαξίες που περιβάλλουν τον Γαλαξία μας και η αποσύνδεση μεταξύ παρατηρήσεων και προσομοιώσεων εξαφανίζεται σε μεγάλο βαθμό, λέει ο Σπρίνγκελ. "Δεν βλέπω το πρόβλημα με τους δορυφόρους που λείπουν πλέον ως πρόβλημα", λέει.
Ομοίως, οι παλαιότερες προσομοιώσεις πρότειναν ότι η συγκέντρωση της σκοτεινής ύλης θα πρέπει να κορυφώνεται απότομα στο κέντρο ενός φωτοστέφανου. Ωστόσο, οι ταχύτητες των αστεριών σε κοντινούς νάνους γαλαξίες δείχνουν ότι στους πυρήνες τους η σκοτεινή ύλη απλώνεται ομαλά σε μεγαλύτερο όγκο. Οι νέες προσομοιώσεις κατανοούν σωστά αυτή τη λεπτομέρεια επειδή καταγράφουν πώς οι βαρυτικές επιδράσεις των αστεριών ανακινούν τη σκοτεινή ύλη και την εξαπλώνουν. "Ακόμα κι αν τα αστέρια είναι ένα μικρό κλάσμα της μάζας, πραγματικά ανακινούν το φωτοστέφανο", λέει ο Hopkins.
Ίσως το μοναδικό μεγαλύτερο μάθημα των προσομοιώσεων μέχρι στιγμής δεν είναι ότι οι επιστήμονες πρέπει να αναθεωρήσουν την κυρίαρχη θεωρία τους για την κοσμολογία, αλλά μάλλον ότι ελλοχεύουν προβλήματα στην κατανόησή τους για την αστροφυσική σε μικρότερη κλίμακα. Ειδικότερα, η θεωρία τους για το σχηματισμό άστρων εμφανίζεται ανεπαρκής, λέει ο Σπρίνγκελ. Για να παράγουν ρεαλιστικούς γαλαξίες, οι μοντελιστές πρέπει να μειώσουν δραστικά τον ρυθμό με τον οποίο τα σύννεφα αερίου σχηματίζουν αστέρια από αυτό που περιμένουν οι αστροφυσικοί, λέει. "Βασικά, τα μοριακά νέφη σχηματίζουν αστέρια 100 φορές πιο αργά από ό,τι νομίζεις", λέει.
Πιθανότατα, σημαίες σχηματισμού αστεριών επειδή οι ανατροφοδοτήσεις από σουπερνόβα και υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες διώχνουν αέριο από έναν γαλαξία. Δυστυχώς, αυτές οι διαδικασίες είναι πολύ μικρές για να επιλυθούν στις προσομοιώσεις. Όταν οι μοντελιστές καταθέτουν την ενέργεια ενός σουπερνόβα σε ένα μεγαλύτερο στοιχείο δικτύου, δεν συμβαίνουν πολλά:Αντί να παράγει άνεμο, η ενέργεια απλώς ακτινοβολεί μακριά. Ομοίως, οι ερευνητές δεν μπορούν να προσομοιώσουν τον βολικό τρόπο με τον οποίο οι μαύρες τρύπες τρέφονται με αέριο και εκπέμπουν ακτίνες Χ. Για να καταγράψουν αυτά τα βασικά κομμάτια της αστροφυσικής, οι μοντελιστές πρέπει να βασίζονται στις ad hoc συνταγές υποπλέγματος που συντονίζουν με το χέρι.
Οι προσομοιωτές ελπίζουν να αντικαταστήσουν τέτοιες ακατέργαστες υποθέσεις με μοντέλα βασισμένα πιο σταθερά στη φυσική. Για να το κάνουν αυτό, ελπίζουν να ζητήσουν τη βοήθεια αστροφυσικών που εργάζονται σε πολύ πιο λεπτομερή μοντέλα που προσομοιώνουν τη γέννηση αστεριών από μοριακά νέφη πλάτους μόλις λίγων ετών φωτός και ακόμη και την εξέλιξη μεμονωμένων άστρων. Αυτά τα μοντέλα μικρότερης κλίμακας είναι από μόνα τους έργα σε εξέλιξη. Για παράδειγμα, οι αστροφυσικοί που μοντελοποιούν εκρήξεις σουπερνόβα εξακολουθούν να αγωνίζονται να κάνουν τις εικονικές αστρικές ωρολογιακές βόμβες τους να εκτοξευθούν.
Παρόλα αυτά, η Eve Ostriker, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον που μοντελοποιεί το διαστρικό αέριο, λέει ότι είναι πρόθυμη να βοηθήσει να τεθούν οι προσομοιώσεις γαλαξιών σε πιο υγιείς βάσεις. «Το ενδιαφέρον μου σε αυτό είναι να αντικαταστήσω τον συντονισμό με κάποια φυσική και να πω, «Εντάξει, αυτό είναι, δεν επιτρέπεται συντονισμός»», λέει. Η ελπίδα είναι να συνδυαστούν τα αποτελέσματα από διαφορετικές κλίμακες μεγέθους με τρόπο που ελαχιστοποιεί την ανάγκη για παράγοντες φοντάν, λένε οι ερευνητές. "Αυτό που θέλετε είναι μια εικόνα που να συρράπτεται με συνέπεια σε όλο το φάσμα των ζυγαριών", λέει ο Hopkins.
Τελικά, μέσω παρατηρήσεων και προσομοιώσεων, ορισμένοι ερευνητές εξακολουθούν να ελπίζουν να αναπτύξουν μια ενοποιημένη αφήγηση που μπορεί να εξηγήσει πώς οποιοσδήποτε γαλαξίας αποκτά το σχήμα και τις ιδιότητές του. Λαμβάνοντας μια ακραία θέση, ο Faber προβλέπει ότι όλοι οι γαλαξίες θα ταξινομηθούν τελικά και θα εξηγηθούν με δύο μόνο παραμέτρους:τη μάζα και την ακτίνα. "Υπάρχει ένας νόμος για τους γαλαξίες που μόλις τώρα ανακαλύπτουμε που τον κάνει απλό."
Αλλά πολλοί μοντελιστές γαλαξιών πιστεύουν ότι οι συνταγές θα είναι πάντα περίπλοκες και αβέβαιες. Ο σχηματισμός γαλαξιών μπορεί να μοιάζει με τον καιρό, ο οποίος κρατά τις ακριβείς προβλέψεις για πάντα μακριά λόγω της χαοτικής φύσης του, λέει ο Springel. «Ανησυχώ λίγο ότι θα καταλάβουμε τη μεγάλη εικόνα, αλλά ποτέ δεν θα καταλάβουμε τις λεπτομέρειες», λέει. Σε αυτήν την περίπτωση, ο αυξανόμενος ρεαλισμός των προσομοιώσεων γαλαξιών μπορεί να χρησιμεύσει μόνο για να υπογραμμίσει μια θεμελιώδη πολυπλοκότητα στο σύμπαν.
