Огромная космическая симуляция обертывается, воссоздавая большую часть Вселенной.

Среди студентов-астрономов есть старая шутка о вопросе на выпускном экзамене в классе космологии. Выглядит это так: «Опишите вселенную и приведите три примера». Что ж, группа исследователей из Германии, США и Великобритании сделала гигантский скачок, чтобы дать хотя бы один точный пример того, как выглядит Вселенная.

Для этого они использовали набор симуляций под названием «MillenniumTNG». Он отслеживает накопление галактик и космическую структуру во времени. Он также предлагает новый взгляд на стандартную космологическую модель Вселенной. Это новейшее космологическое моделирование, и оно объединяет такие амбициозные проекты, как проект AbacusSummit два года назад.

Этот проект моделирования учитывает как можно больше аспектов космической эволюции. Он использует моделирование обычной (барионной) материи (именно это мы и наблюдаем во Вселенной). Сюда также входят темная материя, нейтрино и темная энергия, механизмы формирования Вселенной которых до сих пор неясны. Это долгий запрос.

Моделирование вселенной

Более 120 000 компьютерных центров SuperMUC-NG в Германии приступили к работе над данными для MillenniumTNG. За этим последовало образование около ста миллионов галактик в области космоса диаметром около 2400 миллионов световых лет. Затем Cosma8 в Дареме приступила к расчету вселенной большего размера, но заполненной триллионом смоделированных частиц темной материи и еще 10 миллиардами, отслеживающих действие массивных нейтрино.

Результатом такого количества сжатий стала смоделированная область Вселенной, отражающая состав и распределение галактик. Размер был достаточно велик, чтобы космологи могли использовать его для экстраполяции предположений обо всей Вселенной и ее истории. Они также могут использовать его для поиска «трещин» в стандартной космологической модели Вселенной.

Космологическая модель и предсказание

У космологов есть базовая модель, которую они предлагают для объяснения эволюции Вселенной. Это звучит так: во Вселенной есть разные виды материи. Есть обычная барионная материя, из которой состоим все мы, звезды, планеты и галактики. Это чуть менее 5% «вещества» Вселенной. Остальное — темная материя и темная энергия.

Космологическое сообщество называет этот странный набор космических условий моделью «холодной лямбда-темной материи» (LCDM, для краткости). Это на самом деле очень хорошо описывает вселенную. Однако есть некоторые несоответствия. Это то, что моделирование должно помочь решить. Модель опирается на данные из самых разных источников, включая космическое микроволновое излучение и «космическую паутину», где галактики располагаются вдоль сложной паутины нитей темной материи.

Все еще отсутствует хорошее понимание того, что именно представляет собой темная материя. А для темной энергии это вызов. И астрофизики, и космологи стремятся лучше понять LCDM и существование двух больших неизвестных. Это требует от астрономов множества важных новых наблюдений. С другой стороны, им также нужны более подробные прогнозы того, что на самом деле предлагает модель LCDM. Это большая проблема, и это то, что движет большими симуляциями MillenniumTNG. Если космологи смогут успешно смоделировать вселенную, они смогут использовать эти симуляции, чтобы помочь понять, что происходит «в реальной жизни». Это включает в себя свойства галактик как в современной, так и в очень ранней Вселенной.

Понимание и прогнозирование тенденций галактик во Вселенной с использованием MillenniumTNG

Моделирование MillenniumTNG следует за предыдущими проектами моделирования под названием «Millennium» и «IllustrisTNG». Эта новая группа предоставляет инструмент, чтобы указать на некоторые пробелы в их понимании таких вещей, как эволюция и формы галактик (или морфология).

Астрономы давно знали о так называемом «внутреннем галактическом выравнивании». По сути, это тенденция галактик ориентировать свои формы в одинаковых направлениях по причинам, которые никто до конца не понимает.

Оказывается, слабое гравитационное линзирование влияет на то, как мы видим расположение галактик. Моделирование MillenniumTNG может позволить астрономам измерять такие выравнивания в «реальном мире», используя смоделированные выравнивания. По словам члена команды Аны Марии Дельгадо, это огромный шаг вперед. «Возможно, наше определение внутреннего выравнивания направлений галактик может помочь устранить текущее несоответствие между амплитудой материи скопления, полученной из слабого линзирования, и космическим микроволновым фоном», — сказала она.

звучащее прошлое

Как и в других областях космологии, группа MillenniumTNG исследует очень молодую вселенную с помощью моделирования. Это время после эпохи реионизации, когда уже ярко светили первые звезды и развивались первые галактики. Некоторые из этих ранних галактик очень велики, что кажется выходящим за рамки контекста молодой Вселенной. Они были замечены космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), и остается вопрос: как они стали такими массивными за такое короткое время после Большого взрыва?

Моделирование MillenniumTNG, по-видимому, повторяет эту тенденцию некоторых ранних галактик к экспоненциальному росту за короткое время. Как правило, это примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Итак, почему эти галактики такие массивные? Астроном Рахул Каннан предлагает несколько идей, объясняющих это. «Возможно, звездообразование было более эффективным вскоре после Большого взрыва по сравнению с более поздними временами, или массивные звезды могли формироваться в то время с большей скоростью, что делало эти галактики необычно яркими», — пояснил он.

Теперь, когда JWST изучает более ранние периоды космической истории, будет интересно посмотреть, предсказывают ли симуляции то, что он находит. Кинан предполагает, что между реальной вселенной и симуляцией может быть разрыв. Если это произойдет, перед космологами встанет еще один сложный вопрос о самых ранних эпохах космической истории.

Будущее исследования смоделированной и реальной вселенной

В ближайшие десятилетия космологические исследования получат большую пользу от моделирования, такого как Millenium TNG. Тем не менее, симуляции хороши настолько, насколько хороши данные, которые они получают, и предположения, которые делают их научные группы. MillenniumTNG использует обширные информационные базы данных, а также возможности суперкомпьютеров для обработки своих данных. По словам главного исследователя группы, профессора Фолькера Шпренгеля из Института Макса Планка, симуляции, которые сгенерировали более 3 петабайт данных, являются основным преимуществом космологии.

«MillenniumTNG сочетает в себе последние достижения в области моделирования формирования галактик с областью крупномасштабной космической структуры, что позволяет улучшить теоретическое моделирование связи галактик с основой темной материи Вселенной», — сказал он. «Это может быть очень полезно для решения ключевых вопросов космологии, например, как лучше ограничить массу нейтрино крупномасштабными структурными данными».

Его прогнозы, безусловно, совпадают с целями проекта MillenniumTNG. Команды продолжают развивать успех Project IllustrisTNG, в котором использовались гидродинамические симуляции в дополнение к симуляции тысячелетия, созданной только для темной материи, созданной почти десять лет назад. Моделирование команды использовалось для изучения ряда различных галактических объектов. Они включают в себя скопление материи и гало галактик, скопления галактик и их распределение, модели формирования галактик, скопления галактик в ранней Вселенной, эти внутренние выравнивания галактик и другие связанные темы. Хотя они, возможно, не в состоянии полностью определить вселенную (и привести три примера), команда MillenniumTNG добилась огромных успехов в понимании ее происхождения и эволюции.

Чтобы получить больше информации

В поисках трещин в стандартной космологической модели
Веб-страница проекта MillenniumTNG