Ogromna kosmiczna symulacja owija się wokół, odtwarzając większą część wszechświata

Wśród studentów astronomii krąży stary dowcip o pytaniu na egzamin końcowy z kosmologii. Wygląda to tak: „Opisz wszechświat i podaj trzy przykłady”. Cóż, zespół naukowców z Niemiec, Stanów Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii zrobił ogromny krok w kierunku podania przynajmniej jednego dokładnego przykładu tego, jak wygląda wszechświat.

W tym celu wykorzystali zestaw symulacji o nazwie „MillenniumTNG”. Śledzi akumulację galaktyk i kosmiczną strukturę w czasie. Zapewnia również nowy pogląd na standardowy kosmologiczny model wszechświata. Jest najnowszym osiągnięciem w symulacjach kosmologicznych i łączy tak ambitne wysiłki, jak projekt AbacusSummit dwa lata temu.

Ten projekt symulacyjny uwzględnia jak najwięcej aspektów kosmicznej ewolucji. Wykorzystuje symulacje zwykłej (barionowej) materii (czyli tego, co widzimy we wszechświecie). Obejmuje również ciemną materię, neutrina i ciemną energię, których mechanizmy powstawania wszechświata są wciąż niejasne. To długa prośba.

Symulacja wszechświata

Ponad 120 000 centrów komputerowych w SuperMUC-NG w Niemczech przystąpiło do pracy nad danymi dla MillenniumTNG. Następnie powstało około stu milionów galaktyk w obszarze przestrzeni o średnicy około 2400 milionów lat świetlnych. Następnie Cosma8 w Durham zabrał się do obliczania wszechświata większego niż rozmiar, ale wypełnionego bilionem symulowanych cząstek ciemnej materii i kolejnymi 10 miliardami śledzącymi działanie masywnych neutrin.

Rezultatem tej liczby awarii był symulowany region wszechświata, który odzwierciedla skład i rozmieszczenie galaktyk. Rozmiar był na tyle duży, że kosmolodzy mogli go użyć do ekstrapolacji założeń dotyczących całego wszechświata i jego historii. Mogą go również używać do wyszukiwania „pęknięć” w standardowym kosmologicznym modelu wszechświata.

Model kosmologiczny i predykcja

Kosmolodzy mają ten podstawowy model, który proponują, aby wyjaśnić ewolucję wszechświata. Wygląda to tak: wszechświat ma różne rodzaje materii. Istnieje zwykła materia barionowa, z której jesteśmy zbudowani my wszyscy, gwiazdy, planety i galaktyki. To niecałe 5% „rzeczy” wszechświata. Reszta to ciemna materia i ciemna energia.

Społeczność kosmologów nazywa ten dziwny zestaw warunków kosmicznych modelem „zimnej ciemnej materii Lambda” (w skrócie LCDM). Właściwie dość dobrze opisuje wszechświat. Istnieją jednak pewne niespójności. W rozwiązaniu tego problemu powinna pomóc symulacja. Model opiera się na danych z wielu różnych źródeł, w tym kosmicznego promieniowania mikrofalowego do „kosmicznej sieci”, w której galaktyki są ułożone wzdłuż skomplikowanej sieci włókien ciemnej materii.

Nadal brakuje dobrego zrozumienia, czym dokładnie jest ciemna materia. A dla ciemnej energii to wyzwanie. Astrofizycy i kosmolodzy chcą lepiej zrozumieć LCDM i istnienie dwóch wielkich niewiadomych. To wymaga od astronomów wielu nowych, czułych obserwacji. Z drugiej strony potrzebują bardziej szczegółowych prognoz tego, co faktycznie sugeruje model LCDM. To duże wyzwanie i to właśnie napędza duże symulacje MillenniumTNG. Jeśli kosmolodzy mogą z powodzeniem symulować wszechświat, mogą wykorzystać te symulacje, aby pomóc zrozumieć, co dzieje się „w prawdziwym życiu”. Obejmuje to właściwości galaktyk zarówno we współczesnym, jak i bardzo wczesnym wszechświecie.

Zrozumienie i przewidywanie trendów galaktyk we wszechświecie za pomocą MillenniumTNG

Symulacje MillenniumTNG są kontynuacją poprzednich projektów symulacyjnych o nazwie „Millennium” i „IllustrisTNG”. Ta nowsza grupa zapewnia narzędzie do wskazania niektórych luk w ich rozumieniu takich rzeczy, jak ewolucja i kształty galaktyk (lub morfologia).

Astronomowie od dawna wiedzą o czymś, co nazywa się „wewnętrznym wyrównaniem galaktycznym”. Zasadniczo jest to tendencja galaktyk do orientowania swoich kształtów w podobnych kierunkach, z powodów, których nikt w pełni nie rozumie.

Okazuje się, że słabe soczewkowanie grawitacyjne wpływa na to, jak postrzegamy wyrównanie galaktyk. Symulacje Millennium TNG mogą umożliwić astronomom pomiar takich wyrównań w „prawdziwym świecie” za pomocą symulowanych wyrównań. Zdaniem członkini zespołu Ana Maria Delgado to ogromny krok naprzód. „Być może nasze określenie wewnętrznego wyrównania kierunków galaktyk może pomóc rozwiązać obecną rozbieżność między amplitudą materii gromady wywnioskowaną ze słabego soczewkowania i kosmicznego mikrofalowego tła” – powiedziała.

brzmiący przeszłość

Podobnie jak w przypadku innych dziedzin kosmologii, grupa MillenniumTNG bada bardzo młody wszechświat za pomocą symulacji. Jest to czas po erze rejonizacji, kiedy jasno świeciły już pierwsze gwiazdy i ewoluowały pierwsze galaktyki. Niektóre z tych wczesnych galaktyk są bardzo duże, co wydaje się być poza kontekstem młodego Wszechświata. Zostały zaobserwowane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) i pozostaje pytanie: w jaki sposób stały się tak masywne w tak krótkim czasie po Wielkim Wybuchu?

Symulacja MillenniumTNG wydaje się replikować tendencję niektórych wczesnych galaktyk do wykładniczego wzrostu w krótkim czasie. Zwykle byłoby to około 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Dlaczego więc te galaktyki są tak masywne? Astronom Rahul Kannan oferuje kilka pomysłów, aby to wyjaśnić. „Być może formowanie się gwiazd było bardziej wydajne wkrótce po Wielkim Wybuchu w porównaniu z późniejszymi okresami, albo masywne gwiazdy mogły powstawać w tym czasie z większą szybkością, czyniąc te galaktyki niezwykle jasnymi” – wyjaśnił.

Teraz, gdy JWST przygląda się wcześniejszym okresom w historii kosmosu, interesujące będzie sprawdzenie, czy symulacje przewidują to, co znajdzie. Keenan sugeruje, że może istnieć przepaść między prawdziwym wszechświatem a symulacją. Jeśli tak się stanie, dla kosmologów pojawi się kolejne kłopotliwe pytanie dotyczące najwcześniejszych epok kosmicznej historii.

Przyszłość symulowanej i rzeczywistej eksploracji wszechświata

Nadchodzące dziesięciolecia badań kosmologicznych odniosą ogromne korzyści z symulacji, takich jak Millennium TNG. Jednak symulacje są tak dobre, jak dane, które otrzymują, i założenia przyjęte przez ich zespoły naukowe. MillenniumTNG korzysta z ogromnych baz danych, a także możliwości przetwarzania danych przez superkomputery. Według głównego badacza zespołu, profesora Volkera Sprengela z Instytutu Maxa Plancka, symulacje, które wygenerowały ponad 3 petabajty danych, są dużym atutem kosmologii.

„MillenniumTNG łączy najnowsze postępy w symulacji formowania się galaktyk z dziedziną wielkoskalowej struktury kosmicznej, umożliwiając ulepszone teoretyczne modelowanie połączeń galaktyk ze szkieletem ciemnej materii we Wszechświecie” – powiedział. „Może to być bardzo przydatne do rozwinięcia kluczowych kwestii w kosmologii, takich jak to, w jaki sposób masa neutrin może być lepiej ograniczona przez wielkoskalowe dane strukturalne”.

Jego przewidywania z pewnością zgadzają się z celami Projektu MillenniumTNG. Zespoły nadal opierają się na sukcesie projektu IllustrisTNG, w ramach którego przeprowadzono symulacje hydrodynamiczne oprócz symulacji Millennium dotyczącej wyłącznie ciemnej materii, stworzonej prawie dekadę temu. Symulacje zespołu zostały wykorzystane do zbadania wielu różnych obiektów galaktycznych. Obejmują one agregację materii i halo galaktyk, gromady galaktyk i ich rozmieszczenie, modele formowania się galaktyk, gromady galaktyk we wczesnym wszechświecie, te wewnętrzne układy galaktyk i inne powiązane tematy. Chociaż mogą nie być w stanie w pełni zdefiniować wszechświata (i podać trzy przykłady), zespół MillenniumTNG robi ogromne postępy w zrozumieniu jego pochodzenia i ewolucji.

po więcej informacji

Poszukiwanie pęknięć w standardowym modelu kosmologicznym
Strona projektu MillenniumTNG