Astronomowie przeprowadzają największą w historii kosmiczną symulację komputerową

Międzynarodowy zespół astronomów przeprowadził największą w historii kosmologiczną symulację komputerową, śledząc nie tylko ciemną materię, ale także zwykłą materię (taką jak planety, gwiazdy i galaktyki), dając nam wgląd w ewolucję Wszechświata.

Symulacje Flamingo obliczają ewolucję wszystkich składników wszechświata – zwykłej materii, ciemnej materii i ciemnej energii – zgodnie z prawami fizyki. W miarę postępu symulacji pojawiają się wirtualne galaktyki i gromady galaktyk. trzy Liście To było opublikowany W Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa AstronomicznegoJedna opisuje metody, druga przedstawia symulacje, a trzecia bada, jak dobrze symulacje odtwarzają wielkoskalową strukturę wszechświata.

Obiekty takie jak niedawno wystrzelony przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) Kosmiczny Teleskop Euclid i należący do NASA JWST gromadzą ogromne ilości danych o galaktykach, kwazarach i gwiazdach. Symulacje takie jak FLAMINGO odgrywają kluczową rolę w naukowej interpretacji danych, łącząc przewidywania z teorii wszechświata z obserwowanymi danymi.

Zgodnie z teorią o właściwościach całego naszego wszechświata decyduje kilka liczb zwanych „parametrami kosmologicznymi” (w najprostszej wersji teorii jest ich sześć). Wartości tych parametrów można mierzyć bardzo dokładnie na różne sposoby.

Jedna z takich metod opiera się na właściwościach kosmicznego mikrofalowego tła (CMB), słabej poświaty tła pozostałej po wczesnym Wszechświecie. Wartości te nie odpowiadają jednak wartościom zmierzonym innymi technikami, które opierają się na sposobie, w jaki siła grawitacyjna galaktyk zagina światło (soczewkowanie). Te „napięcia” mogą sygnalizować upadek standardowego modelu kosmologii, modelu zimnej ciemnej materii.

Symulacje komputerowe mogą ujawnić przyczynę tych napięć, ponieważ mogą poinformować naukowców o potencjalnych odchyleniach (błędach systematycznych) w pomiarach. Jeśli żaden z tych powodów nie jest wystarczający do wyjaśnienia napięć, teoria ma poważne kłopoty.

Do tej pory symulacje komputerowe używane do porównań z obserwacjami śledziły jedynie zimną ciemną materię. „Chociaż ciemna materia dominuje w grawitacji, nie można już lekceważyć wkładu zwykłej materii, ponieważ ten wkład może być podobny do odchyleń między modelami i obserwacjami” – mówi kierownik badań Job Schaie (Uniwersytet w Lejdzie).

Pierwsze wyniki pokazują, że do dokładnych przewidywań potrzebne są zarówno neutrina, jak i zwykła materia, ale nie eliminują one napięć pomiędzy różnymi obserwacjami kosmologicznymi.

Symulacje, które śledzą również zwykłą materię barionową (znaną również jako materię barionową), są trudniejsze i wymagają znacznie większej mocy obliczeniowej. Dzieje się tak dlatego, że zwykła materia – która stanowi zaledwie szesnaście procent całej materii we wszechświecie – odczuwa nie tylko grawitację, ale także ciśnienie gazu, które może spowodować wydmuchanie materii z galaktyk przez aktywne czarne dziury i supernowe daleko w przestrzeń międzygalaktyczną.

Siła tych międzygalaktycznych wiatrów zależy od eksplozji zachodzących w ośrodku międzygwiazdowym i są bardzo trudne do przewidzenia. Co więcej, ważny jest także udział neutrin, cząstek subatomowych o bardzo małej masie, ale nie jest dokładnie znana, ale ich ruch nie został jeszcze symulowany.

Astronomowie przeprowadzili serię symulacji komputerowych, aby śledzić skład struktury ciemnej materii, zwykłej materii i neutrin. Doktorat „Wpływ wiatru galaktycznego skalibrowano za pomocą uczenia maszynowego, porównując przewidywania z wielu różnych symulacji na stosunkowo małą skalę z obserwowanymi masami galaktyk i rozkładem gazu w gromadach galaktyk” – wyjaśnia student Roy Coghill (Uniwersytet w Lejdzie).

Naukowcy przeprowadzili symulację modelu, który najlepiej opisuje obserwacje kalibracyjne, korzystając z superkomputera o różnych kosmicznych rozmiarach i różnych rozdzielczościach. Ponadto zmieniali parametry modelu, w tym siłę wiatru galaktycznego, masę neutrin i parametry kosmologiczne w symulacjach nieco mniejszych, ale wciąż dużych objętości.

W największej symulacji wykorzystano 300 miliardów elementów rozdzielczości (cząstek o masie małej galaktyki) w sześcianie, którego krawędzie są oddalone o dziesięć miliardów lat świetlnych. Uważa się, że jest to największa w historii kosmologiczna symulacja komputerowa zwykłej materii. „Aby umożliwić tę symulację, opracowaliśmy nowy kod SWIFT, który efektywnie rozdziela pracę obliczeniową na ponad 30 000 procesorów” – powiedział Matthieu Schaller z Uniwersytetu w Lejdzie.

Symulacje FLAMINGO otwierają nowe wirtualne okno na wszechświat, które pomoże w maksymalnym wykorzystaniu obserwacji kosmologicznych. Ponadto duża ilość (wirtualnych) danych stwarza możliwości dokonywania nowych odkryć teoretycznych i testowania nowych technik analizy danych, w tym uczenia maszynowego.

Korzystając z uczenia maszynowego, astronomowie mogą następnie przewidywać losowe, hipotetyczne wszechświaty. Porównując je z obserwacjami struktur wielkoskalowych, mogą mierzyć wartości parametrów kosmologicznych. Co więcej, mogą określić ilościowo odpowiednie niepewności poprzez porównanie z obserwacjami ograniczającymi wpływ wiatrów galaktycznych.