Czy jedna gwiazda może zmienić strukturę całej galaktyki?

Nowe badanie pokazuje, że symulacje galaktyk mogą prowadzić do zupełnie różnych wyników nawet przy niemal identycznych warunkach początkowych. Astronomowie odkryli, że niewielkie zmiany w modelach potrafią wpływać na ich całą strukturę.

Dlaczego symulacje galaktyk dają różne wyniki?

Nowe badanie naukowców z Leiden University pokazuje, że symulacje galaktyk mogą prowadzić do zupełnie różnych wyników nawet przy niemal identycznych warunkach początkowych. Astronomowie odkryli, że niewielkie zmiany w modelach potrafią wpływać na ewolucję Drogi Mlecznej i pomagają lepiej zrozumieć chaos we Wszechświecie.

Astronomowie przeprowadzający symulacje galaktyk nie zawsze uzyskują ten sam wynik, nawet gdy zaczynają od identycznych warunków. W ramach nowego badania naukowcy z Leiden University odkryli, że jest to konsekwencja sposobu, w jaki zachowują się te struktury i w jaki sposób są modelowane. Analizy te pomagają lepiej zrozumieć, jak chaotyczne naprawdę są galaktyki takie jak Droga Mleczna. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

Jedna niewielka zmiana może wpłynąć na całą galaktykę

Badacze stworzyli setki modeli galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej – płaskich dysków gwiazd otoczonych dużą, niewidoczną chmurą ciemnej materii, która utrzymywała cały układ razem. W każdym eksperymencie uruchamiali dwie niemal identyczne symulacje, różniące się jedynie jednym drobnym szczegółem – na przykład niewielkim przesunięciem położenia pojedynczej gwiazdy. Z czasem takie małe różnice przeradzały się w widoczne zmiany w strukturze: na przykład ramiona spiralne rozwijały się inaczej, a centralna poprzeczka obracała się w odmienny sposób.

Galaktyki zawierają setki miliardów gwiazd, dlatego naukowcy zakładali, że zachowują się one jak gładkie układy, w których niewielkie zaburzenia uśredniają się. Badanie pokazuje jednak, że jest odwrotnie, a małe zaburzenia mogą narastać i prowadzić do zauważalnych różnic w ich strukturach.

„To dość niezwykłe, że Droga Mleczna, z tak ogromną liczbą gwiazd, przez co można by oczekiwać jej płynnego zachowania, nadal okazuje się tak chaotyczna” – mówi Simon Portegies Zwart z Leiden University.

Symulacje galaktyk ujawniły chaos w Drodze Mlecznej

Prowadziło to wcześniej do sprzecznych wyników badań. Niektóre symulacje sugerowały, że galaktyki stawały się bardziej chaotyczne wraz ze wzrostem liczby uwzględnionych gwiazd, podczas gdy inne wskazywały na odwrotny efekt. Nowe badanie pomaga lepiej zrozumieć, skąd mogła brać się ta różnica.

W wielu symulacjach wpływ grawitacji na bardzo małych odległościach był „wygładzany”, aby obliczenia były stabilniejsze i łatwiejsze do wykonania. W rezultacie gwiazdy traktowano jak małe chmury zamiast oddzielnych punktów, a silne, bliskie oddziaływania napędzające chaos zostały zniwelowane. Systematycznie zwiększając szczegółowość modeli i oddziaływań, badacze pokazali, kiedy symulacja wiernie odzwierciedla rzeczywistą galaktykę, a kiedy już nie.

Astronomowie podkreślają, że nie wszystkie symulacje były równie wiarygodne, jeśli chodzi o zrozumienie drobnych szczegółów całych galaktyk. Niektóre cechy pojawiały się zawsze, takie jak formowanie centralnej poprzeczki, która wyłaniała się mniej więcej w tym samym czasie we wszystkich symulacjach. Inne właściwości, takie jak dokładny kształt poprzeczki czy struktura ramion spiralnych, okazywały się zależne od niewielkich różnic.

„W symulacjach Droga Mleczna stawała się nieprzewidywalna już po około milionie lat. To niezwykle krótki czas w porównaniu z jej wiekiem (około dziesięciu miliardów lat) — odpowiednik zaledwie jednej sekundy w ludzkim życiu” – twierdzi Simon Portegies Zwart.

Główne cechy pozostają niezmienne

Jednocześnie, jak zaznaczają naukowcy, te niewielkie różnice nie rosną bez końca i mają swoje granice. Dwie symulacje mogły wyglądać inaczej – z odmiennymi ramionami spiralnymi lub inaczej ustawioną poprzeczką – ale obie nadal pozostawały galaktykami spiralnymi.

„Nasze badania rozwiązują paradoks polegający na tym, że galaktyki mogą jednocześnie zachowywać się zarówno płynnie, jak i chaotycznie. Udało nam się zrozumieć, w jaki sposób wybory dokonane podczas symulacji wpływają na to, jak dużo tego chaosu widzimy. To nie tylko wyjaśnia, jak pojedyncza gwiazda może przekształcić całą galaktykę, ale także pokazuje, jak możemy wiarygodnie to modelować” – podsumowuje Simon Portegies Zwart.

Emil Gołoś