Команда астрофизиков только что породила 8 миллионов уникальных вселенных внутри суперкомпьютера и позволила им эволюционировать от одних детей до старых чудаков. Их цель? Понять роль, которую невидимая субстанция, называемая темной материей, сыграла в жизни нашей вселенной со времен Большого взрыва и что это значит для нашей судьбы.
Узнав, что наша вселенная в основном состоит из темной материи в конце 1960-х годов, ученые размышляли о ее роли в образовании галактик и их способности со временем рождать новые звезды.
Согласно теории Большого взрыва, вскоре после рождения Вселенной физики-невидимки и неуловимые вещества, получившие название темной материи, начали объединяться силой гравитации в массивные облака, называемые гало темной материи. По мере того как гало увеличивались в размерах, они привлекали редкий водородный газ, проникающий во вселенную, чтобы объединиться и образовать звезды и галактики, которые мы видим сегодня. В этой теории темная материя действует как основа галактик, определяя, как они образуются, сливаются и развиваются с течением времени.
Чтобы лучше понять, как темная материя сформировала эту историю вселенной, Питер Бехрузи, доцент астрономии в университете Аризоны, и его команда создали свои собственные вселенные, используя школьный суперкомпьютер. 2000 процессоров компьютера работали без перерыва в течение трех недель, чтобы моделировать более 8 миллионов уникальных вселенных. Каждая вселенная индивидуально подчинялась уникальному набору правил, чтобы помочь исследователям понять связь между темной материей и эволюцией галактик.
«На компьютере мы можем создавать много разных юниверсов и сравнивать их с действительными, и это позволяет нам определить, какие правила ведут к тому, который мы видим», - сказал Бехрузи в своем заявлении.
В то время как предыдущие симуляции были сосредоточены на моделировании одиночных галактик или генерации фиктивных вселенных с ограниченными параметрами, UniverseMachine является первым в своей области применения. Программа непрерывно создавала миллионы вселенных, каждая из которых содержала 12 миллионов галактик, и каждая позволяла развиваться в течение почти всей истории реальной вселенной от 400 миллионов лет после Большого взрыва до наших дней.
«Большой вопрос:« Как образуются галактики? », - говорит исследователь-исследователь Риза Векслер, профессор физики и астрофизики в Стэнфордском университете. «Действительно крутая вещь в этом исследовании заключается в том, что мы можем использовать все имеющиеся у нас данные об эволюции галактик - количество галактик, сколько у них звезд и как они образуют эти звезды - и объединить их во всеобъемлющую картину последних 13 миллиардов лет вселенной ".
Создание копии нашей вселенной или даже галактики потребовало бы необъяснимого количества вычислительной мощности. Поэтому Бехрузи и его коллеги сузили свое внимание к двум ключевым свойствам галактик: их совокупной массе звезд и скорости, с которой они рождают новые.
«Для моделирования одной галактики требуется от 10 до 48 вычислительных операций», - объяснил Бехрузи, имея в виду операцию октиллиона или 1, за которым следуют 48 нулей. «Все компьютеры на Земле вместе не могли сделать это за сто лет. Поэтому, чтобы просто смоделировать одну галактику, не говоря уже о 12 миллионах, мы должны были сделать это по-другому».
Поскольку компьютерная программа порождает новые вселенные, она делает предположение о том, как скорость образования звезд в галактике связана с ее возрастом, прошлыми взаимодействиями с другими галактиками и количеством темной материи в ее гало. Затем он сравнивает каждую вселенную с реальными наблюдениями, настраивая физические параметры с каждой итерацией, чтобы лучше соответствовать реальности. Конечный результат - вселенная, почти идентичная нашей.
Согласно Векслеру, их результаты показали, что скорость, с которой галактики рождают звезды, тесно связана с массой их гало темной материи. Галактики с массами гало темной материи, наиболее похожими на наш Млечный Путь, имели самые высокие скорости звездообразования. Она объяснила, что в более массивных галактиках образование звезд сдерживается обилием черных дыр
Их наблюдения также поставили под сомнение давние убеждения, что темная материя подавляла образование звезд в ранней вселенной.
«Когда мы вернемся назад и раньше во Вселенной, мы ожидаем, что темная материя будет плотнее, и, следовательно, газ будет становиться все горячее и горячее. Это плохо для звездообразования, поэтому мы думали, что многие галактики в начале Вселенная должна была перестать формировать звезды давным-давно ", - сказал Бехрузи. «Но мы обнаружили обратное: галактики заданного размера с большей вероятностью будут образовывать звезды с большей скоростью, вопреки ожиданиям».
Теперь команда планирует расширить UniverseMachine, чтобы проверить, как темная материя может влиять на свойства галактик, включая то, как их формы развиваются, массу их черных дыр и как часто их звезды становятся сверхновыми.
«Для меня самое захватывающее в том, что теперь у нас есть модель, где мы можем начать задавать все эти вопросы в рамках, которая работает», - сказал Векслер. «У нас есть модель, которая достаточно недорогая в вычислительном отношении, что мы можем по существу вычислить всю вселенную примерно за секунду. Тогда мы можем позволить себе сделать это миллионы раз и исследовать все пространство параметров».
Исследовательская группа опубликовала свои результаты в сентябрьском номере журнала «Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества».
