Zespół astrofizyków stworzył właśnie 8 milionów unikalnych wszechświatów w superkomputerze i pozwala im ewoluować od zwykłych drzewek do starych geezerów. Ich cel? Utrwalić rolę, jaką niewidzialna substancja zwana ciemną materią odgrywała w życiu naszego wszechświata od Wielkiego Wybuchu i co to oznacza dla naszego losu.
Po odkryciu, że nasz wszechświat składa się głównie z ciemnej materii pod koniec lat 60. XX wieku, naukowcy spekulowali na temat jej roli w formowaniu się galaktyk i ich zdolności do rodzenia nowych gwiazd w czasie.
Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu, niedługo po narodzinach wszechświata, niewidzialni i nieuchwytni fizycy substancji nazwani ciemną materią zaczęli zlepiać się pod wpływem siły grawitacji w masywne chmury zwane aureolami ciemnej materii. Gdy halo powiększały się, przyciągały rzadki gazowy wodór przepuszczający wszechświat, aby się spotkać i uformować gwiazdy i galaktyki, które widzimy dzisiaj. W tej teorii ciemna materia działa jako kręgosłup galaktyk, dyktując sposób ich tworzenia, łączenia i ewolucji w czasie.
Aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób ciemna materia ukształtowała tę historię wszechświata, Peter Behroozi, asystent profesora astronomii na Uniwersytecie Arizony, wraz ze swoim zespołem stworzył własne wszechświaty za pomocą szkolnego superkomputera. 2000 procesorów komputera pracowało bez przerwy przez okres trzech tygodni, symulując ponad 8 milionów unikalnych wszechświatów. Każdy wszechświat indywidualnie przestrzegał unikalnego zestawu zasad, aby pomóc badaczom zrozumieć związek między ciemną materią a ewolucją galaktyk.
„Na komputerze możemy tworzyć wiele różnych wszechświatów i porównywać je z rzeczywistymi, co pozwala nam wnioskować, które reguły prowadzą do tych, które widzimy” - powiedział Behroozi w oświadczeniu.
Podczas gdy poprzednie symulacje koncentrowały się na modelowaniu pojedynczych galaktyk lub generowaniu fałszywych wszechświatów o ograniczonych parametrach, UniverseMachine jest pierwszym z nich. Program nieustannie tworzył miliony wszechświatów, z których każda zawiera 12 milionów galaktyk, i każdy z nich pozwolił ewoluować w ciągu niemal całej historii prawdziwego wszechświata od 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu do dnia dzisiejszego.
„Najważniejsze pytanie brzmi:„ Jak powstają galaktyki? ”- powiedziała badaczka Risa Wechsler, profesor fizyki i astrofizyki na Uniwersytecie Stanforda. „Naprawdę fajną rzeczą w tym badaniu jest to, że możemy wykorzystać wszystkie dane, które posiadamy o ewolucji galaktyk - liczbę galaktyk, liczbę ich gwiazd i sposób ich formowania - i połączyć to w całościowy obraz ostatniego 13 miliardów lat wszechświata. ”
Stworzenie repliki naszego wszechświata, a nawet galaktyki, wymagałoby niewytłumaczalnej ilości mocy obliczeniowej. Tak więc Behroozi i jego koledzy zawęzili swoje skupienie na dwóch kluczowych właściwościach galaktyk: ich połączonej masie gwiazd i szybkości, z jaką rodzą nowe.
„Symulacja pojedynczej galaktyki wymaga od 10 do 48 operacji obliczeniowych”, wyjaśnił Behroozi, odnosząc się do operacji na oktylion lub 1, po której następuje 48 zer. „Wszystkie komputery na Ziemi łącznie nie mogłyby tego zrobić w ciągu stu lat. Aby więc zasymulować pojedynczą galaktykę, nie mówiąc już o 12 milionach, musieliśmy to zrobić inaczej”.
Gdy program komputerowy odradza nowe wszechświaty, zgaduje, w jaki sposób tempo formowania się galaktyki zależy od jej wieku, jej przeszłych interakcji z innymi galaktykami i ilości ciemnej materii w halo. Następnie porównuje każdy wszechświat z rzeczywistymi obserwacjami, dostosowując parametry fizyczne z każdą iteracją, aby lepiej dopasować się do rzeczywistości. Efektem końcowym jest wszechświat prawie identyczny z naszym.
Według Wechslera ich wyniki pokazały, że szybkość, z jaką galaktyki rodzą gwiazdy, jest ściśle związana z masą aureoli ciemnej materii. Galaktyki o masach halo ciemnej materii najbardziej podobnych do naszej Drogi Mlecznej miały najwyższe prędkości formowania się gwiazd. Wyjaśniła, że formowanie się gwiazd jest tłumione w masywniejszych galaktykach przez obfitość czarnych dziur
Ich obserwacje podważyły również długo utrzymywane przekonania, że ciemna materia hamuje powstawanie gwiazd we wczesnym wszechświecie.
„Kiedy wracamy wcześniej i wcześniej we wszechświecie, spodziewalibyśmy się, że ciemna materia jest gęstsza, a zatem gaz staje się coraz gorętszy. Jest to szkodliwe dla formowania się gwiazd, więc sądziliśmy, że wiele galaktyk na początku wszechświat powinien już dawno przestać tworzyć gwiazdy - powiedział Behroozi. „Ale okazało się wręcz przeciwnie: galaktyki o danym rozmiarze częściej tworzyły gwiazdy w większym tempie, w przeciwieństwie do oczekiwań”.
Teraz zespół planuje rozwinąć UniverseMachine, aby przetestować więcej sposobów, w jakie ciemna materia może wpływać na właściwości galaktyk, w tym na ewolucję ich kształtów, masę ich czarnych dziur i jak często ich gwiazdy przechodzą w supernowe.
„Dla mnie najbardziej ekscytujące jest to, że mamy teraz model, w którym możemy zacząć zadawać wszystkie te pytania w ramach, który działa” - powiedział Wechsler. „Mamy model, który jest na tyle niedrogi obliczeniowo, że możemy w zasadzie obliczyć cały wszechświat w około sekundę. Wtedy możemy sobie pozwolić na miliony razy i zbadanie całej przestrzeni parametrów”.
Grupa badawcza opublikowała swoje wyniki we wrześniowym numerze czasopisma Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
