Närliggande dvärggalaxer kan ge kunskap om det tidiga universum

 

Bild  https://www.su.se/ A) Mörk materia-fördelning i vårt närområde i universum i den så kallade lokala gruppen av galaxer. De två stora mörka materie-haloerna motsvarar de i Vintergatan och Andromedagalaxen; (B) zooma in på mörk materia i och runt en liten gloria ca 700 miljoner år efter Big Bang; (C) stjärnor och gas i mitten av den lilla mörka materie-haloen i en av  datasimuleringarna. Foto: J Sureda/A Fattahi/S Brown

Azadeh Fattahi är docent vid Oskar Klein Centre vid Stockholms universitet (OKC) och ledde  forskargruppen i detta arbete tillsammans med samarbetspartners från Durham University och University of Hawaii.  Studien har publicerats i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) i denna beskriver Fattahi projektets omfattning:

"I detta arbete presenterade vi en helt ny uppsättning kosmologiska simuleringar med fokus på de minsta galaxerna i universum, med en aldrig tidigare skådad upplösning. Detta är utan tvekan det största urvalet av sådana galaxer som någonsin simulerats i dator vid dessa upplösningar." beskriver  Fattah.

Dvärggalaxer bildas i små mörk materia-halos som förutsägs av den standardiserade kosmologimodellen. De minsta exemplen på sådana system är extrema både i storlek och skörhet och ligger på gränsen för vår kunskap om galaxbildning och mörk materia.

"De minsta galaxerna kallas ultrasvaga dvärggalaxer, som är en miljon gånger mindre massiva än Vintergatan eller  mindre," beskriver Fattahi. "På grund av deras lilla storlek har dessa galaxer visat sig vara mycket svåra att genom en dator modellera och simulera."

Den nya simuleringssviten representerar ett stort steg framåt och möjliggör en systematisk bild av hur dessa galaxer bildas och utvecklas.

Det som gör resultaten särskilt aktuella är att simuleringarna gör mer än att återge svaga dvärggalaxer de antyder även att dessa lokala objekt kan fungera som en sond av universums tidigaste strålningsmiljö. Teamet undersökte hur olika antaganden om den tidiga strålningsmiljön påverkar vilka små mörka materia-haloer som överhuvudtaget lyckas bilda stjärnor.

"I artikeln studerade vi två olika antaganden om egenskaperna hos det tidiga universum när det var mindre än 500 miljoner år gammalt med syftet att förstå effekten på egenskaperna hos dessa små galaxer idag när universum är 13 miljarder år gammalt," beskriver Shaun Brown som ledde studien när han arbetade vid OKC och Durham University.

"Vi fann att dessa små ultrasvaga galaxer är mycket känsliga för dessa förändringar, medan mer massiva galaxer, som vår Vintergata, egentligen inte bryr sig," tillägger han, "För de minsta galaxerna kan tidiga förhållanden avgöra om de blir synliga galaxer – eller förblir stjärnlösa mörka materia-halos." Lokala dvärggalaxer kan bevara en dokumentation av det unga universum

Ultrasvaga dvärggalaxer, små satellitgalaxer som kretsar runt Vintergatan, har länge setts som kosmiska fossil. Nu använder en ny studie av forskare vid Oskar Klein Centre och LYRA-samarbetet en aldrig tidigare skådad uppsättning simuleringar för att visa hur kraftfullt dessa svaga system kan spegla förhållandena i det tidiga universum och berätta varför vissa galaxer växte och andra inte.

Den känsligheten öppnar en tydlig väg för att testa det tidiga universums fysik med kommande observationer.

"Spännande nog kommer vi inom en snar framtid att ha data från Vera C. Rubin-observatoriet som kommer att kunna hitta många fler av dessa ultrasvaga dvärgar runt Vintergatan," beskriver Fattahi.

Många astronomer hoppas att Vera C. Rubin-observatoriet kan leverera en nästan komplett summa  av Vintergatans satellitgalaxer  och kanske även hur många som finns långt utanför vårt närområde.

"Vårt arbete tyder på att dessa kommande observationer av det  lokala universum kommer att kunna begränsa hur universum såg ut i sin linda, något vi för närvarande inte kan komma åt direkt med andra observationer."

Resultatet är särskilt relevant med tanke på de senaste upptäckterna av galaxer i det tidiga universum, av James Webb Space Telescope (JWST), som hittar många överraskningar, särskilt oväntat massiva och ljusstarka galaxer i det tidiga universum (ex upptäckten av de röda prickarna i universums första tid)," noterar Fattahi.

Om det tidiga universum producerar överraskningar på stora avstånd, kan lokala reliker från samma epok som ultrasvaga dvärggalaxer ge en ytterligare väg till att förstå vad som hände en gång.

Totalt tog det mer än sex månader att köra alla simuleringar. 

Största delen av arbetet utfördes på COSMA 8-superdatorn, som är designad för simuleringsdriven forskning. Durham Universitys Institute for Computational Cosmology är värd för COSMA 8 på uppdrag av Storbritanniens DiRAC High Performance Computing Facility.

Framåt planerar Fattahis team att använda den nya sviten för att ta itu med frågor som fortfarande är öppna i modern galax- och strukturbildning, såsom var vi kan hitta den allra första generationen stjärnor som bildades i universum eller vad egenskaperna hos ultrasvaga dvärggalaxer säger oss om mörk materia?