Международная группа астрономов провела, как полагают, крупнейшее в истории космологическое компьютерное моделирование, отслеживая не только темную, но и обычную материю (например, планеты, звезды и галактики), что дает нам представление о том, как могла развиваться наша Вселенная.
 |
| На фоновом изображении показано современное распределение материи в срезе крупнейшей модели ФЛАМИНГО, которая представляет собой кубический объем со стороной 2,8 Гпк (9,1 миллиарда световых лет). Яркость фонового изображения дает современное распределение темной материи, а цвет кодирует распределение нейтрино. На вставках показаны три последовательных увеличения с центром самого массивного скопления галактик; по порядку они показывают температуру газа, плотность темной материи и виртуальное рентгеновское наблюдение (из Шайе и др., 2023). (Фото: phys.org) |
Моделирование FLAMINGO рассчитывает эволюцию всех компонентов Вселенной — обычной материи, темной материи и темной энергии — в соответствии с законами физики. По мере моделирования появляются виртуальные галактики и скопления галактик. В Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества были опубликованы три статьи : одна описывает методы, другая представляет моделирование, а третья исследует, насколько хорошо моделирование воспроизводит крупномасштабную структуру Вселенной.
Такие объекты, как космический телескоп «Евклид», недавно запущенный Европейским космическим агентством (ЕКА), и JWST НАСА, собирают впечатляющие объемы данных о галактиках, квазарах и звездах. Моделирование, такое как «ФЛАМИНГО», играет ключевую роль в научной интерпретации данных, связывая предсказания теорий нашей Вселенной с наблюдаемыми данными.
Согласно теории, свойства всей нашей Вселенной задаются несколькими числами, называемыми « космологическими параметрами » (в простейшей версии теории их шесть). Значения этих параметров можно очень точно измерить различными способами.
Один из этих методов основан на свойствах космического микроволнового фона (CMB) — слабого фонового свечения, оставшегося от ранней Вселенной. Однако эти значения не соответствуют значениям, измеренным другими методами, основанными на том, как гравитационная сила галактик искривляет свет (линзирование). Эти «напряжения» могут сигнализировать о кончине стандартной модели космологии — модели холодной темной материи.
Компьютерное моделирование может выявить причину этой напряженности, поскольку оно может информировать ученых о возможных отклонениях (систематических ошибках) в измерениях. Если ни один из этих факторов не окажется достаточным для объяснения напряженности, теория окажется под угрозой.
До сих пор компьютерное моделирование, используемое для сравнения с наблюдениями, отслеживало только холодную темную материю. «Хотя темная материя доминирует в гравитации, вкладом обычной материи больше нельзя пренебрегать», — говорит руководитель исследования Йооп Шайе (Лейденский университет), — «поскольку этот вклад может быть аналогичен отклонениям между моделями и наблюдениями».
Первые результаты показывают, что и нейтрино, и обычная материя необходимы для точных предсказаний, но не устраняют противоречий между различными космологическими наблюдениями.
Моделирование, которое также отслеживает обычную барионную материю (также известную как барионная материя ), гораздо сложнее и требует гораздо большей вычислительной мощности. Это связано с тем, что обычная материя, составляющая лишь шестнадцать процентов всей материи во Вселенной, ощущает не только гравитацию, но и давление газа, что может привести к выбрасыванию материи из галактик активными черными дырами и сверхновыми далеко в межгалактическое пространство.
Сила этих межгалактических ветров зависит от взрывов в межзвездной среде и ее очень трудно предсказать. Кроме того, важен вклад нейтрино, субатомных частиц очень маленькой, но точно не известной массы, но их движение до сих пор не моделировалось.
Астрономы завершили серию компьютерных симуляций , отслеживающих формирование структур в темной материи, обычной материи и нейтрино. Кандидат наук. Студент Рой Кугель (Лейденский университет) объясняет: «Эффект галактических ветров был откалиброван с помощью машинного обучения путем сравнения предсказаний множества различных моделей относительно небольших объемов с наблюдаемыми массами галактик и распределением газа в скоплениях галактик. "
Исследователи смоделировали модель, которая лучше всего описывает калибровочные наблюдения, с помощью суперкомпьютера в разных космических объемах и с разным разрешением. Кроме того, они варьировали параметры модели, включая силу галактических ветров, массу нейтрино и космологические параметры при моделировании немного меньших, но все же больших объемов.
Самая крупная симуляция использует 300 миллиардов элементов разрешения (частиц с массой небольшой галактики) в кубическом объёме с краями в десять миллиардов световых лет. Считается, что это крупнейшее когда-либо завершенное космологическое компьютерное моделирование с использованием обычной материи . Матье Шаллер из Лейденского университета сказал: «Чтобы сделать это моделирование возможным, мы разработали новый код SWIFT, который эффективно распределяет вычислительную работу между 30 тысячами процессоров».
Моделирование «ФЛАМИНГО» открывает новое виртуальное окно во Вселенную , которое поможет максимально эффективно использовать космологические наблюдения. Кроме того, большой объем (виртуальных) данных создает возможности для новых теоретических открытий и тестирования новых методов анализа данных, включая машинное обучение.
Используя машинное обучение , астрономы смогут делать прогнозы для случайных виртуальных вселенных. Сравнивая их с крупномасштабными структурными наблюдениями, они могут измерить значения космологических параметров. Более того, они могут измерить соответствующие неопределенности путем сравнения с наблюдениями, которые ограничивают влияние галактических ветров.
No comments:
Post a Comment