Óriási kozmikus szimuláció vesz körül, és még többet teremt újra az univerzumból

Van egy régi vicc a csillagászhallgatók körében a kozmológia óra záróvizsgáján felmerülő kérdésről. Így néz ki: „Írja le az univerzumot, és mondjon három példát.” Nos, egy németországi, egyesült államokbeli és egyesült királyságbeli kutatócsoport óriási ugrást tett afelé, hogy legalább egy pontos példát mutasson az univerzum kinézetére.

Ehhez egy „MillenniumTNG” nevű szimulációkészletet használtak. Nyomon követi a galaxisok felhalmozódását és a kozmikus szerkezetet az időben. Ezenkívül új képet ad az univerzum standard kozmológiai modelljéről. Ez a legújabb kozmológiai szimulációk, és olyan ambiciózus erőfeszítésekhez csatlakozik, mint a két évvel ezelőtti AbacusSummit projekt.

Ez a szimulációs projekt a kozmikus evolúció lehető legtöbb aspektusát veszi figyelembe. A közönséges (barioni) anyag szimulációit használja (ezt látjuk az univerzumban). Ide tartozik a sötét anyag, a neutrínók és a sötét energia is, amelyeknek az univerzum kialakulásának mechanizmusa még mindig homályos. Ez egy hosszú kérés.

Univerzum szimuláció

A németországi SuperMUC-NG több mint 120 000 számítógépes központja foglalkozott a MillenniumTNG adataival. Ezt követte a mintegy százmillió galaxis kialakulása az űr mintegy 2400 millió fényév átmérőjű régiójában. Ezután a durhami Cosma8 elkezdett kiszámítani egy ennél nagyobb, de trillió szimulált sötétanyag-részecskével teli univerzumot, és további 10 milliárddal, amely a hatalmas neutrínók működését követte nyomon.

Ennek a számnak az eredménye az univerzum egy szimulált régiója, amely tükrözi a galaxisok összetételét és eloszlását. A méret elég nagy volt ahhoz, hogy a kozmológusok felhasználhassák az egész univerzumra és annak történetére vonatkozó feltételezések extrapolálására. Arra is használhatják, hogy „repedéseket” keressenek az univerzum standard kozmológiai modelljében.

Kozmológiai modell és előrejelzés

A kozmológusok ezt az alapmodellt javasolják az univerzum evolúciójának magyarázatára. Ez így hangzik: a világegyetemben különböző típusú anyagok vannak. Létezik közönséges barion anyag, amelyből mindannyian, a csillagok, a bolygók és a galaxisok állunk. Az univerzum „cuccának” alig 5%-a. A többi sötét anyag és sötét energia.

A kozmológiai közösség ezt a furcsa kozmikus feltételrendszert „hideg lambda sötét anyag” (LCDM, röviden) modellnek nevezi. Valójában nagyon jól leírja az univerzumot. Van azonban néhány következetlenség. Ezt kell megoldani a szimulációnak. A modell sokféle forrásból származó adatokra támaszkodik, beleértve a kozmikus mikrohullámú sugárzást a „kozmikus hálóig”, ahol a galaxisok sötét anyagszálak bonyolult hálója mentén helyezkednek el.

Még mindig hiányzik a sötét anyag pontos megértése. A sötét energia számára pedig kihívás. Az asztrofizikusok és kozmológusok pedig arra törekednek, hogy jobban megértsék az LCDM-et és két nagy ismeretlen létezését. Ehhez sok érzékeny új megfigyelésre van szükség a csillagászoktól. Az érem másik oldalán részletesebb előrejelzésekre is szükségük van arra vonatkozóan, hogy az LCDM-modell valójában mit sugall. Ez egy nagy kihívás, és ez az oka a MillenniumTNG nagy szimulációinak. Ha a kozmológusok sikeresen tudják szimulálni az univerzumot, akkor ezeket a szimulációkat felhasználhatják arra, hogy megértsék, mi történik „a való életben”. Ez magában foglalja a galaxisok tulajdonságait a modern és a nagyon korai univerzumban egyaránt.

Az univerzum galaxisainak trendjeinek megértése és előrejelzése a MillenniumTNG segítségével

A MillenniumTNG szimulációk a korábbi „Millennium” és „IllustrisTNG” szimulációs projekteket követik. Ez az újabb csoport eszközt ad arra, hogy rámutasson néhány hiányosságra az olyan dolgok megértésében, mint a galaxisok evolúciója és alakjai (vagy morfológiája).

A csillagászok régóta ismerik az úgynevezett „belső galaktikus igazodást”. Ez alapvetően arra irányul, hogy a galaxisok alakjaikat hasonló irányba tájoljanak, olyan okokból, amelyeket senki sem ért teljesen.

Kiderült, hogy a gyenge gravitációs lencsék befolyásolják, hogyan látjuk a galaxisok elrendezését. A MillenniumTNG szimulációk lehetővé tehetik a csillagászok számára, hogy szimulált igazítások segítségével mérjék az ilyen igazodásokat a „valós világban”. Ana Maria Delgado csapattag szerint ez óriási előrelépés. „Talán a galaxisirányok belső elrendezésének meghatározása segíthet feloldani a jelenlegi eltérést a halmazanyag amplitúdója között, amely a gyenge lencsékből és a kozmikus mikrohullámú háttérből következtet” – mondta.

múltnak hangzó

A kozmológia más területeihez hasonlóan a MillenniumTNG csoport a nagyon fiatal univerzumot vizsgálja szimulációk segítségével. Ez a reionizáció korszaka utáni időszak, amikor az első csillagok már fényesen ragyogtak, és kialakultak az első galaxisok. A korai galaxisok némelyike ​​nagyon nagy, ami úgy tűnik, nem tartozik a fiatal univerzum kontextusába. A James Webb Űrteleszkóp (JWST) látta őket, és a kérdés továbbra is fennáll: hogyan váltak ilyen masszívvá ilyen rövid idő alatt az Ősrobbanás után?

Úgy tűnik, hogy a MillenniumTNG szimuláció megismétli néhány korai galaxis azon tendenciáját, hogy rövid időn belül exponenciálisan növekedjenek. Általában ez körülbelül 500 millió évvel az Ősrobbanás után történik. Szóval, miért ilyen hatalmasak ezek a galaxisok? Rahul Kannan csillagász kínál néhány ötletet ennek magyarázatára. „Talán a csillagkeletkezés hatékonyabb volt röviddel az ősrobbanás után, mint a későbbi időkben, vagy a hatalmas csillagok nagyobb sebességgel alakulhattak ki akkoriban, ami szokatlanul fényessé tette ezeket a galaxisokat” – magyarázta.

Most, hogy a JWST a kozmikus történelem korábbi időszakait vizsgálja, érdekes lesz látni, hogy a szimulációk megjósolják-e, mit talál. Keenan azt sugallja, hogy szakadás lehet a valós univerzum és a szimuláció között. Ha ez megtörténik, az újabb zavarba ejtő kérdést fog feltenni a kozmológusoknak a kozmikus történelem legkorábbi korszakaival kapcsolatban.

A szimulált és valós univerzum-kutatás jövője

A következő évtizedekben a kozmológiai tanulmányok nagy hasznát veszik az olyan szimulációknak, mint a Millenium TNG. A szimulációk azonban csak annyira jók, amennyire a kapott adatok és a tudományos csapataik feltételezései vannak. A MillenniumTNG profitál a hatalmas információs adatbázisokból, valamint a szuperszámítógépek adatfeldolgozási képességéből. A csapat vezető kutatója, Volker Sprengel, a Max Planck Intézet professzora szerint azok a szimulációk, amelyek több mint 3 petabájtnyi adatot generáltak, a kozmológia jelentős eszközei.

„A MillenniumTNG ötvözi a galaxisok kialakulásának szimulációjában a közelmúltban elért eredményeket a nagy léptékű kozmikus szerkezetek területén, lehetővé téve a galaxisok és az univerzum sötét anyag gerincéhez való kapcsolódásának jobb elméleti modellezését” – mondta. „Ez nagyon hasznos lehet a kozmológia kulcsfontosságú kérdéseinek előmozdításában, például, hogy a neutrínók tömegét hogyan lehet jobban korlátozni a nagyméretű szerkezeti adatokkal.”

Jóslatai minden bizonnyal összhangban vannak a MillenniumTNG Project céljaival. A csapatok továbbra is építenek az IllustrisTNG projekt sikerére, amely hidrodinamikai szimulációkat is futtatott a csaknem egy évtizede létrehozott, csak sötét anyaggal foglalkozó Millennium szimuláció mellett. A csapat szimulációit számos különböző galaktikus alany tanulmányozására használták. Ide tartoznak a galaxisok anyagának és halóinak aggregációja, galaxishalmazok és eloszlásuk, galaxisok kialakulásának modelljei, galaxishalmazok a korai univerzumban, a galaxisok belső elrendezése és más kapcsolódó témák. Bár lehet, hogy nem tudják teljesen meghatározni az univerzumot (és három példát is hoznak), a MillenniumTNG csapata óriási lépéseket tesz annak eredetének és fejlődésének megértésében.

további információért

Repedéseket keres a standard kozmológiai modellben
MillenniumTNG Project weboldala