O simulare cosmică enormă se înfășoară, recreând mai mult univers

Există o glumă veche printre studenții la astronomie despre o întrebare la examenul final pentru o oră de cosmologie. Arată așa: „Descrie universul și dă trei exemple”. Ei bine, o echipă de cercetători din Germania, Statele Unite și Marea Britanie a făcut un salt uriaș pentru a oferi cel puțin un exemplu precis despre cum arată universul.

Pentru a face acest lucru, au folosit un set de simulări numit „MillenniumTNG”. Acesta urmărește acumularea galaxiilor și structura cosmică de-a lungul timpului. De asemenea, oferă o nouă viziune asupra modelului cosmologic standard al universului. Este cea mai recentă simulări cosmologice și se alătură unor eforturi atât de ambițioase precum proiectul AbacusSummit de acum doi ani.

Acest proiect de simulare ia în considerare cât mai multe aspecte ale evoluției cosmice. Utilizează simulări ale materiei obișnuite (barionice) (care este ceea ce vedem în univers). De asemenea, include materia întunecată, neutrini și energia întunecată ale căror mecanisme de formare a universului sunt încă obscure. Aceasta este o cerere lungă.

Simularea universului

Peste 120.000 de centre de calculatoare de la SuperMUC-NG din Germania au lucrat la datele pentru MillenniumTNG. Aceasta a fost urmată de formarea a aproximativ o sută de milioane de galaxii într-o regiune a spațiului cu un diametru de aproximativ 2.400 de milioane de ani lumină. Apoi, Cosma8 din Durham a început să calculeze un univers mai mare decât dimensiunea, dar plin cu un trilion de particule de materie întunecată simulate și alte 10 miliarde urmărind acțiunea neutrinilor masivi.

Rezultatul acestui număr de zbârcituri a fost o regiune simulată a universului care reflectă compoziția și distribuția galaxiilor. Dimensiunea a fost suficient de mare încât cosmologii să-l poată folosi pentru a extrapola ipoteze despre întregul univers și istoria lui. Ei îl pot folosi și pentru a căuta „fisuri” în modelul cosmologic standard al universului.

Model cosmologic și predicție

Cosmologii au acest model de bază pe care îl propun pentru a explica evoluția universului. Se întâmplă așa: universul are diferite tipuri de materie. Există materie barionică obișnuită, din care suntem formați cu toții, stelele, planetele și galaxiile. Este puțin sub 5% din „lucrurile” universului. Restul este materie întunecată și energie întunecată.

Comunitatea cosmologică numește acest set ciudat de condiții cosmice modelul „materiei întunecate Lambda rece” (LCDM, pe scurt). De fapt, descrie foarte bine universul. Cu toate acestea, există unele inconsecvențe. Aceasta este ceea ce simularea ar trebui să ajute la rezolvare. Modelul se bazează pe date dintr-o mare varietate de surse, inclusiv radiația cosmică cu microunde către „pânza cosmică”, unde galaxiile sunt aranjate de-a lungul unei rețele complicate de filamente de materie întunecată.

Încă lipsește o bună înțelegere a ceea ce este exact materia întunecată. Iar pentru energia întunecată, este o provocare. Iar astrofizicienii și cosmologii caută să înțeleagă mai bine LCDM și existența a două mari necunoscute. Acest lucru necesită o mulțime de noi observații sensibile din partea astronomilor. Pe de altă parte a monedei, au nevoie și de predicții mai detaliate despre ceea ce sugerează de fapt modelul LCDM. Este o mare provocare și este ceea ce conduce la marile simulări ale MillenniumTNG. Dacă cosmologii pot simula cu succes universul, ei pot folosi acele simulări pentru a ajuta la înțelegerea a ceea ce se întâmplă „în viața reală”. Aceasta include proprietățile galaxiilor atât în ​​universul modern, cât și în cel foarte timpuriu.

Înțelegerea și prezicerea tendințelor galaxiilor din univers folosind MillenniumTNG

Simulările MillenniumTNG urmează proiectele anterioare de simulare numite „Millennium” și „IllustrisTNG”. Acest grup mai nou oferă un instrument pentru a evidenția unele dintre lacunele în înțelegerea lor despre lucruri precum evoluția și formele (sau morfologia) galaxiilor.

Astronomii știu de mult despre ceva numit „aliniere galactică intrinsecă”. Aceasta este practic o tendință a galaxiilor de a-și orienta formele în direcții similare, din motive pe care nimeni nu le înțelege pe deplin.

Se pare că lentilele gravitaționale slabe afectează modul în care vedem alinierea galaxiei. Simulările MillenniumTNG ar putea permite astronomilor să măsoare astfel de aliniamente în „lumea reală” folosind aliniamente simulate. Acesta este un pas uriaș înainte, potrivit membrului echipei Ana Maria Delgado. „Poate că determinarea noastră a alinierii intrinseci a direcțiilor galaxiilor poate ajuta la rezolvarea discrepanței actuale dintre amplitudinea materiei cluster dedusă din lentila slabă și fundalul cosmic cu microunde”, a spus ea.

sunând trecut

Ca și în alte domenii ale cosmologiei, grupul MillenniumTNG examinează universul foarte tânăr prin simulări. Acesta este momentul de după era reionizării când primele stele străluceau deja puternic și primele galaxii au evoluat. Unele dintre acele galaxii timpurii sunt foarte mari, ceea ce pare să iasă din contextul universului tânăr. Au fost văzute de telescopul spațial James Webb (JWST) și rămâne întrebarea: cum au devenit atât de masive într-un timp atât de scurt după Big Bang?

Simularea MillenniumTNG pare să reproducă această tendință a unor galaxii timpurii de a crește exponențial într-un timp scurt. De obicei, acest lucru ar fi la aproximativ 500 de milioane de ani după Big Bang. Deci, de ce sunt aceste galaxii atât de masive? Astronomul Rahul Kannan oferă câteva idei pentru a explica acest lucru. „Poate că formarea stelelor a fost mai eficientă la scurt timp după Big Bang, în comparație cu vremurile ulterioare, sau stele masive s-ar fi putut forma cu rate mai mari în acel moment, făcând aceste galaxii neobișnuit de strălucitoare”, a explicat el.

Acum că JWST se uită la vremuri mai vechi din istoria cosmică, va fi interesant de văzut dacă simulările prezic ceea ce găsește. Keenan sugerează că ar putea exista o ruptură între universul real și simulare. Dacă se întâmplă acest lucru, va pune o altă întrebare perplexă pentru cosmologi despre primele ere ale istoriei cosmice.

Viitorul explorării universului simulat și real

Următoarele decenii de studii cosmologice vor beneficia foarte mult de pe urma simulărilor precum Millennium TNG. Cu toate acestea, simulările sunt la fel de bune ca datele pe care le primesc și ipotezele pe care le fac echipele lor științifice. MillenniumTNG beneficiază de baze de date vaste de informații, precum și de capacitățile supercalculatoarelor de a-și procesa datele. Potrivit investigatorului principal al echipei, profesorul Volker Sprengel de la Institutul Max Planck, simulările care au generat mai mult de 3 petaocteți de date sunt un atu major pentru cosmologie.

„MillenniumTNG combină progresele recente în simulările formării galaxiilor cu domeniul structurii cosmice la scară largă, permițând o modelare teoretică îmbunătățită a conexiunii galaxiilor cu coloana vertebrală a materiei întunecate a universului”, a spus el. „Acest lucru ar putea fi foarte util pentru avansarea întrebărilor cheie în cosmologie, cum ar fi modul în care masa neutrinilor poate fi mai bine constrânsă de date structurale la scară largă”.

Predicțiile sale se aliniază cu siguranță obiectivelor proiectului MillenniumTNG. Echipele continuă să se bazeze pe succesul proiectului IllustrisTNG, care a desfășurat simulări hidrodinamice pe lângă simularea Millennium, creată cu aproape un deceniu în urmă. Simulările echipei au fost folosite pentru a studia o serie de subiecte galactice diferite. Acestea includ agregarea materiei și halourile galaxiilor, grupurile de galaxii și distribuția lor, modelele de formare a galaxiilor, grupurile de galaxii din universul timpuriu, acele aliniamente intrinseci ale galaxiilor și alte subiecte conexe. Deși este posibil să nu reușească să definească pe deplin universul (și să dea trei exemple), echipa MillenniumTNG face pași uriași în înțelegerea originii și evoluției acestuia.

pentru mai multe informatii

Căutăm fisuri în modelul cosmologic standard
Pagina web a proiectului MillenniumTNG