Aktiveret af SuperComputing har University of Pretoria (UP) forskere ledet et internationalt team af astronomer, der har givet dybere indsigt i hele livscyklussen (fødsel, vækst og død) af gigantiske radiagalakser, der ligner “Kosmiske springvand”—Jets med overophedet gas, der skubbes ud i næsten tomme rum fra deres spindende supermassive sorte huller.
Resultaterne af denne gennembrudstudie blev offentliggjort i tidsskriftet Astronomi og astrofysikog udfordring kendte teoretiske modeller ved at forklare, hvordan ekstragalaktiske kosmiske springvand vokser til at dække sådanne kolossale afstande, hvilket rejser nye spørgsmål om mekanismerne bag disse enorme kosmiske strukturer.
Forskningsteamet – som blev ledet af astrofysiker Dr. Gourab Giri, der har et postdoktoralt stipendium fra det sydafrikanske radioastronomiobservatorium ved UP – bestod af lektor Kshitij Thorat og ekstraordinær professor Roger Deane fra UP’s Fakultet for naturlige og landbrugscrofessor; Prof Joydeep Bagchi fra Christ University i Indien; Prof DJ Sailkia fra Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics, også i Indien; og Dr. Jacinta Delhaize fra University of Cape Town (UCT).
Denne undersøgelse tackler et centralt spørgsmål i moderne astrofysik: hvordan disse strukturer, der er større end galakser og består af sorte hulstråler, interagerer over kosmologiske tidsskalaer med deres meget tynde, gasformige omgivelser.
“Vi efterlignede strømmen af springvandene i universet for at observere, hvordan de forplanter sig over hundreder af millioner af år – en proces, der naturligvis er umulig at spore direkte i det virkelige kosmos,” Dr. Giri forklarer.
“Disse sofistikerede simuleringer muliggør en klarere forståelse af den sandsynlige livscyklus af radiagalakser ved at afsløre forskellene mellem deres mindre, tidlige stadier og kæmpe, modne stadier. At forstå udviklingen af radiagalakser er afgørende for at uddybe vores viden om dannelsen og udviklingen af universet.”
“Mens sådanne undersøgelser er beregningsmæssigt dyre,” Prof Thorat tilføjer, “Holdet begyndte på dette eventyr informeret af de spændende, banebrydende observationer udført af ny generation af radioteleskoper, såsom det sydafrikanske Meerkat-teleskop, som har været medvirkende til at give os detaljerne i strukturen af disse kosmiske springvand.”
Astronomer studerer galakser for mere end bare de stjerner, de kan se, siger Dr. Giri. “Vi ser også på mange, ofte indbyrdes forbundne fænomener. En af de mest fantastiske ting at se er, når et supermassivt sort hul i midten af en galakse, som er relativt lille i størrelse sammenlignet med de galakser, de vokser i, ‘vågner op’ og begynder at spise masser af nærliggende gas og støv. Dette er ikke en rolig, langsom eller passiv proces.
“Når det sorte hul trækker i materiale, bliver materialet overophedet og skubbes ud fra galaksen ved nærlys hastigheder, hvilket skaber kraftige jetfly, der ligner kosmiske springvand. Disse springvand udsender radiosignaler, da de accelererede højhastighedsplasmamater genererer radiobølger. Disse signaler detekteres af meget kraftfulde radioteleskoper, der er bygget gennem samarbejdsindsatsen i flere lande, der arbejder sammen.”
“Med den nylige fremkomst af kraftfulde og følsomme radioteleskoper – såsom Meerkat i Sydafrika, den lave frekvensarray (LOFAR) i Europa og Giant Metrewave Radio Telescop ,” Dr. Giri tilføjer.
“Disse avancerede teleskoper kan fange de svageste signaler fra at dø eller falme dele af jetflyet, hvilket fører til nye opdagelser af flere sådanne udvidede kilder, der tidligere var uopdagelige.”
Undersøgelsen indebærer også, at disse gigantiske jetfly kan være mere almindelige end tidligere antaget.
Siden opdagelsen af disse højhastigheds springvand i 1970’erne har astronomer været nysgerrige over, hvor langt det udsendte stof rejser, før de til sidst falmer ud. Svaret var forbløffende, da de begyndte at opdage, at kosmiske jetfly rejser store afstande-nogle nåede næsten 16 millioner lysår (næsten seks gange afstanden mellem Mælkevejen og Andromeda).
“Jeg påtog mig udfordringen med at udvikle teoretiske modeller for disse kilder, som nøje tester modellerne med de avancerede kapaciteter hos moderne supercomputere,” Dr. Giri siger.
“Denne computerdrevne undersøgelse havde til formål at simulere opførelsen af gigantiske kosmiske jetfly inden for et mock-univers, konstrueret i henhold til kendte fysiske love, der styrer kosmos. Vores primære fokus var at besvare to spørgsmål: er den enorme størrelse af disse jetfly på grund af deres usædvanligt høje hastigheder; Eller er det fordi de rejser gennem områder af rummet, der næsten er tomme for omgivende stof, og tilbyder minimal modstand mod Jets ‘gratis forplantning?”
Den UP-LED-undersøgelse præsenterer bevis for, at en kombination af disse overvejelser er et vigtigt aspekt i dannelsen af disse gigantiske jetfly.
Ved hjælp af Supercomputing Power fra Inter-University Institute for Data Astronomy (et samarbejdsnetværk bestående af UP, UCT og University of Western Cape), var det internationale forskningsteam i stand til at analysere de store mængder af simulerede data, effektivt spænde over millioner af år.
“Disse computerbaserede modeller, der simulerer jetudvikling i et spottet univers, gør mere end at forklare oprindelsen af de fleste gigantiske radiagalakser,” Dr. Giri siger.
“De er også magtfulde nok til at tackle forundrende undtagelser, der har forvirrede astronomer på dette område. For eksempel hjælper de med at forklare, hvordan nogle kosmiske springvand bøjer sig kraftigt og danner formen på en X i radiobølger i stedet for at følge en lige sti, og tydeliggøre forholdene under hvilke kæmpe springvand stadig kan vokse i tæt kosmiske miljøer.” Disse fund kan testes yderligere af radioastronomer ved hjælp af avancerede teleskoper.
“Undersøgelser som denne fører an til formulering af vores forståelse af disse vidunderlige objekter fra et teoretisk perspektiv,” Prof Thorat tilføjer. “Dette giver et komplementært billede til dybhimmelobservationer fra teleskoper som Meerkat og den kommende SKA, hvilket gør simuleringer til et nøgleværktøj sammen med kunstige intelligensteknikker og højtydende computing for at maksimere opdagelsesrummet og optimere den videnskabelige forståelse af disse og andre ‘eksotiske ‘Objekter.”
Prof Sunil Maharaj, viceprincipal for forskning, innovation og postgraduate uddannelse i UP, bemærkede, at universitetet er stolt af den hurtige vækst i sin Radio Astronomy Research Group.
“Dette blev aktiveret af strategiske investeringer i Inter-University Institute for Data Astronomy and Key Personal fokuseret på videnskab med verdensledende afrikanske teleskoper,” siger han.
“Det er kun et eksempel på UPs lederrolle i udnyttelse af avanceret teknologi, der øger Afrikas bidrag til at skubbe videnskabelige grænser, mens den næste generation af forskere på kontinentet er på. Den forskning, vi udfører i dag, er at åbne nye verdener og muligheder for fremtiden.”