Величезна космічна симуляція огортається навколо, відтворюючи більшу частину Всесвіту

Серед студентів-астрономів є старий жарт про питання на випускному іспиті в класі космології. Виглядає це так: «Опиши Всесвіт і наведи три приклади». Що ж, команда дослідників із Німеччини, Сполучених Штатів і Сполученого Королівства зробила величезний стрибок у наданні принаймні одного точного прикладу того, як виглядає Всесвіт.

Для цього вони використали набір симуляцій під назвою «MillenniumTNG». Він відстежує накопичення галактик і структуру космосу в часі. Він також пропонує новий погляд на стандартну космологічну модель Всесвіту. Це останнє в космологічному моделюванні, і воно приєднується до таких амбітних зусиль, як проект AbacusSummit два роки тому.

Цей проект моделювання враховує якомога більше аспектів космічної еволюції. Він використовує моделювання звичайної (баріонної) матерії (яку ми бачимо у Всесвіті). Він також включає темну матерію, нейтрино та темну енергію, механізми формування Всесвіту яких досі невідомі. Це довгий запит.

Видаліть усю рекламу у всесвіті сьогодні

Приєднайтеся до Patreon лише за 3 долари!

Отримайте досвід без реклами на все життя

Симуляція Всесвіту

Понад 120 000 комп’ютерних центрів SuperMUC-NG у Німеччині почали працювати над даними для MillenniumTNG. За цим послідувало формування близько ста мільйонів галактик в області космосу діаметром близько 2400 мільйонів світлових років. Потім Cosma8 у Даремі взявся за розрахунок Всесвіту, більшого за розмір, але наповненого трильйоном імітованих частинок темної матерії та ще 10 мільярдами, які відстежують дію масивних нейтрино.

Проекції газу (вгорі ліворуч), темної матерії (вгорі праворуч) і зоряного світла (внизу по центру) чіпа в найбільшому гідродинамічному моделюванні MillenniumTNG у поточну епоху. Товщина шматка становить близько 35 мільйонів світлових років. MPA люб’язно.

Результатом такої кількості кранчів стала змодельована область Всесвіту, яка відображає склад і розподіл галактик. Розмір був достатньо великим, щоб космологи могли використовувати його для екстраполяції припущень про весь Всесвіт та його історію. Вони також можуть використовувати його для пошуку «тріщин» у стандартній космологічній моделі Всесвіту.

READ На Гаваях нараховується 452 нові випадки коронавірусу; Активні випадки перевищили 3 000 по всьому штату

Космологічна модель і передбачення

Космологи мають цю базову модель, яку вони пропонують для пояснення еволюції Всесвіту. Це виглядає так: у Всесвіті є різні види матерії. Існує звичайна баріонна матерія, з якої складаються всі ми, зірки, планети та галактики. Це трохи менше 5% «матеріалу» Всесвіту. Решта темна матерія і темна енергія.

Композитна модель розподілу матерії (з накладенням темної матерії) у моделюванні утворення галактики від TNG Collaboration.

Космологічне співтовариство називає цей дивний набір космічних умов моделлю «холодної лямбда-темної матерії» (LCDM, скорочено). Насправді це дуже добре описує Всесвіт. Однак є деякі невідповідності. Це те, що моделювання має допомогти вирішити. Модель спирається на дані з багатьох джерел, включаючи космічне мікрохвильове випромінювання до «космічної павутини», де галактики розташовані вздовж заплутаної мережі ниток темної матерії.

Досі немає чіткого розуміння того, що саме таке темна матерія. А для темної енергії це виклик. А астрофізики та космологи прагнуть краще зрозуміти LCDM та існування двох великих невідомих. Це вимагає від астрономів багатьох нових делікатних спостережень. З іншого боку медалі, їм також потрібні більш детальні прогнози того, що насправді пропонує модель LCDM. Це великий виклик, і саме це стимулює великі симуляції MillenniumTNG. Якщо космологам вдасться успішно змоделювати Всесвіт, вони зможуть використовувати ці симуляції, щоб допомогти зрозуміти, що відбувається «в реальному житті». Це включає властивості галактик як у сучасному, так і в дуже ранньому Всесвіті.

Розуміння та передбачення тенденцій розвитку галактик у Всесвіті за допомогою MillenniumTNG

Моделювання MillenniumTNG слідує за попередніми проектами моделювання під назвою “Millennium” та “IllustrisTNG”. Ця нова група надає інструмент, щоб вказати на деякі прогалини в їхньому розумінні таких речей, як еволюція та форми (або морфологія) галактик.

Астрономи давно знають про те, що називається «внутрішнє вирівнювання галактик». По суті, це тенденція галактик орієнтувати свої форми в подібних напрямках з незрозумілих причин.

READ Астрофізик отримує нові математичні рішення старої проблеми в астрономії

Виявляється, слабке гравітаційне лінзування впливає на те, як ми бачимо розташування галактик. Моделювання MillenniumTNG могло б дозволити астрономам вимірювати такі вирівнювання в «реальному світі», використовуючи змодельовані вирівнювання. За словами члена команди Ани Марії Дельгадо, це величезний крок вперед. «Можливо, наше визначення внутрішнього вирівнювання напрямків галактик може допомогти усунути поточну розбіжність між амплітудою речовини скупчення, отриманою за слабким лінзуванням, і космічним мікрохвильовим фоном», — сказала вона.

звучання минулого

Як і в інших областях космології, група MillenniumTNG досліджує дуже молодий Всесвіт за допомогою моделювання. Це час після епохи реіонізації, коли перші зірки вже яскраво сяяли і розвивалися перші галактики. Деякі з цих ранніх галактик дуже великі, що здається поза контекстом молодого Всесвіту. Їх побачив космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), і залишається питання: як вони стали такими масивними за такий короткий час після Великого вибуху?

Моделювання MillenniumTNG, здається, повторює цю тенденцію деяких ранніх галактик до експоненціального зростання за короткий час. Як правило, це буде приблизно через 500 мільйонів років після Великого вибуху. Отже, чому ці галактики такі масивні? Астроном Рахул Каннан пропонує кілька ідей, щоб пояснити це. «Можливо, зореутворення було більш ефективним незабаром після Великого вибуху порівняно з пізнішими часами, або масивні зірки могли утворюватися з більшою швидкістю в той час, роблячи ці галактики надзвичайно яскравими», — пояснив він.

Тепер, коли JWST розглядає більш ранні часи космічної історії, буде цікаво побачити, чи передбачить моделювання те, що він знайде. Кінан припускає, що між реальним всесвітом і симуляцією може бути розрив. Якщо це станеться, це поставить перед космологами ще одне заплутане питання про найдавніші епохи космічної історії.

READ Вчені завершили створення найбільшої цифрової камери

Майбутнє змодельованого та реального дослідження всесвіту

Найближчі десятиліття космологічних досліджень значно виграють від моделювання, такого як Millennium TNG. Однак симуляції настільки хороші, наскільки хороші дані, які вони отримують, і припущення, зроблені їхніми науковими групами. MillenniumTNG використовує величезні бази даних інформації, а також можливості суперкомп’ютерів для обробки даних. За словами головного дослідника групи, професора Фолькера Шпренгеля з Інституту Макса Планка, моделювання, яке згенерувало понад 3 петабайти даних, є великим активом для космології.

«MillenniumTNG поєднує в собі останні досягнення в моделюванні формування галактик з великомасштабною космічної структурою, дозволяючи покращити теоретичне моделювання зв’язку галактик із темною матерією хребта Всесвіту», – сказав він. «Це може бути дуже корисним для просування ключових питань у космології, наприклад, як масу нейтрино можна краще обмежити великомасштабними структурними даними».

Розподіл галактик у MillenniumTNG, де галактики та місця проектуються як частина симуляції. Фактичні спостереження за галактиками можуть бути порушені зрушеннями ефекту Доплера, які можуть бути включені в моделювання. MPA люб’язно.

Його прогнози, безумовно, збігаються з цілями проекту MillenniumTNG. Команди продовжують розвивати успіх проекту IllustrisTNG, який проводив гідродинамічне моделювання на додаток до моделювання лише темної матерії Millennium, створеного майже десять років тому. Моделювання команди було використано для вивчення ряду різних галактичних предметів. Вони включають агрегацію матерії та гало галактик, скупчення галактик та їх розподіл, моделі утворення галактик, скупчення галактик у ранньому Всесвіті, ті внутрішні вирівнювання галактик та інші пов’язані теми. Хоча вони, можливо, не зможуть повністю визначити всесвіт (і наведуть три приклади), команда MillenniumTNG робить величезні кроки в розумінні його походження та еволюції.