A csillagászok a valaha volt legnagyobb kozmikus számítógépes szimulációt hajtják végre

Egy nemzetközi csillagászcsapat végrehajtotta a valaha volt legnagyobb kozmológiai számítógépes szimulációt, amely nemcsak a sötét anyagot, hanem a közönséges anyagot is (például bolygókat, csillagokat és galaxisokat) követte nyomon, így bepillantást engedve az univerzum fejlődésébe.

A Flamingo szimulációi a fizika törvényei szerint kiszámítják az univerzum összes összetevőjének – a közönséges anyag, a sötét anyag és a sötét energia – evolúcióját. A szimuláció előrehaladtával virtuális galaxisok és galaxishalmazok jelennek meg. három Levelek Akkor már közzétett ban ben A Royal Astronomical Society havi közleményeiAz egyik a módszereket ismerteti, a másik a szimulációkat, a harmadik pedig azt vizsgálja, hogy a szimulációk mennyire reprodukálják az univerzum nagy léptékű szerkezetét.

Az olyan létesítmények, mint az Európai Űrügynökség (ESA) nemrégiben elindított Euclid Űrteleszkópja és a NASA JWST-je, hatalmas mennyiségű adatot gyűjtenek a galaxisokról, kvazárokról és csillagokról. A FLAMINGO-hoz hasonló szimulációk kulcsszerepet játszanak az adatok tudományos értelmezésében azáltal, hogy összekapcsolják az univerzum elméleteiből származó előrejelzéseket a megfigyelt adatokkal.

Az elmélet szerint egész univerzumunk tulajdonságait néhány „kozmológiai paraméternek” nevezett szám határozza meg (az elmélet legegyszerűbb változatában hat közülük). Ezen paraméterek értékei különböző módokon nagyon pontosan mérhetők.

Az egyik ilyen módszer a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) tulajdonságaira támaszkodik, amely a korai univerzumból visszamaradt halvány háttérfény. Ezek az értékek azonban nem egyeznek azokkal, amelyeket más technikákkal mértek, amelyek azon alapulnak, hogy a galaxisok gravitációs ereje hogyan hajlítja meg a fényt (lencse). Ezek a „feszültségek” a kozmológia standard modelljének, a hideg sötét anyag modelljének a megszűnését jelezhetik.

A számítógépes szimulációk feltárhatják ezeknek a feszültségeknek az okát, mert tájékoztathatják a tudósokat a mérések lehetséges torzításairól (szisztematikus hibákról). Ha ezen okok egyike sem elegendő a feszültség magyarázatára, az elmélet valóban bajban van.

Eddig a megfigyelésekkel való összehasonlításra használt számítógépes szimulációk csak a hideg sötét anyagot követték nyomon. „Bár a sötét anyag uralja a gravitációt, a közönséges anyag hozzájárulása már nem elhanyagolható, mert ez a hozzájárulás hasonló lehet a modellek és megfigyelések közötti eltérésekhez” – mondja Job Schaie, a kutatás vezetője (Leiden Egyetem).

Az első eredmények azt mutatják, hogy a neutrínók és a közönséges anyagok egyaránt szükségesek a pontos előrejelzésekhez, de nem szüntetik meg a feszültséget a különböző kozmológiai megfigyelések között.

A közönséges barionos anyagot (más néven barionos anyagot) is nyomon követő szimulációk nehezebbek, és sokkal nagyobb számítási teljesítményt igényelnek. Ennek az az oka, hogy a közönséges anyag – amely az univerzum összes anyagának mindössze tizenhat százalékát teszi ki – nemcsak a gravitációt, hanem a gáznyomást is érez, ami miatt az aktív fekete lyukak és szupernóvák messzire az intergalaktikus térbe sodorhatják az anyagot a galaxisokból.

Ezen intergalaktikus szelek erőssége a csillagközi közegben bekövetkező robbanásoktól függ, és nagyon nehéz megjósolni. Ezenkívül a neutrínók, a nagyon kis tömegű, de pontosan nem ismert szubatomi részecskék szerepe is fontos, de mozgásukat még nem szimulálták.

A csillagászok számítógépes szimulációk sorozatát végezték el a sötét anyag, a közönséges anyag és a neutrínók szerkezetének összetételének nyomon követésére. Ph.D. „A galaktikus szél hatását gépi tanulással kalibrálták, sok különböző, viszonylag kis léptékű szimulációból származó előrejelzések összehasonlításával a megfigyelt galaxistömegekkel és gázeloszlással a galaxishalmazokban” – magyarázza Roy Coghill hallgató (Leiden Egyetem).

A kutatók egy szuperszámítógép segítségével szimulálták azt a modellt, amely a legjobban írja le a kalibrációs megfigyeléseket, különböző kozmikus méretekben és különböző felbontásokban. Emellett a modellparamétereket is variálták, beleértve a galaktikus szél erősségét, a neutrínók tömegét és a kozmológiai paramétereket valamivel kisebb, de még mindig nagy térfogatú szimulációk során.

A legnagyobb szimuláció 300 milliárd felbontású elemet (kis galaxis tömegű részecskéket) használ egy kockatérfogatban, amelynek élei tízmilliárd fényévnyire vannak egymástól. Úgy gondolják, hogy ez a közönséges anyag valaha volt legnagyobb kozmológiai számítógépes szimulációja. „A szimuláció lehetővé tétele érdekében kifejlesztettünk egy új kódot, a SWIFT-et, amely hatékonyan osztja el a számítási munkát több mint 30 000 CPU között” – mondta Matthieu Schaller, a Leideni Egyetem munkatársa.

A FLAMINGO szimulációk új virtuális ablakot nyitnak az univerzumban, amely segít a legtöbbet kihozni a kozmológiai megfigyelésekből. Emellett a nagy mennyiségű (virtuális) adat lehetőséget teremt új elméleti felfedezések megtételére és új adatelemzési technikák tesztelésére, beleértve a gépi tanulást is.

A gépi tanulás segítségével a csillagászok előrejelzéseket készíthetnek véletlenszerű hipotetikus univerzumokra. Ha összehasonlítjuk őket nagyméretű szerkezeti megfigyelésekkel, meg tudják mérni a kozmológiai paraméterek értékeit. Ezenkívül számszerűsíthetik a megfelelő bizonytalanságokat a galaktikus szelek befolyását korlátozó megfigyelésekkel összehasonlítva.