Virtuální stroj & # 039; vesmír & # 039; vrhá světlo …

Jak se rodí galaxie jako Mléčná dráha? Jak roste a mění se v průběhu času? Věda, která stojí za formováním galaxií, zůstává záhadou po celá desetiletí, ale tým vědců pod vedením Arizonské univerzity se dostal o krok blíže k hledání odpovědí díky superpočítačovým simulacím.

Pozorování skutečných galaxií ve vesmíru může poskytnout pouze snímky v čase, takže vědci, kteří chtějí studovat, jak se galaxie vyvíjely miliardy let, se musí vrátit k počítačovým simulacím. Astronomové tento přístup tradičně jeden po druhém využívali k vynalézání a testování nových teorií formování galaxií. Peter Behroozi, odborný asistent na Steward Observatory UA, a jeho tým překonal tuto překážku vytvořením milionů různých vesmírů na superpočítači, z nichž každý odpovídá jiným fyzickým teoriím o tom, jak by se galaxie měly formovat.

Výsledek, Měsíční oznámení od Královské astronomické společnostiNapadněte základní představy o úloze, kterou temná hmota hraje při formování galaxií, o tom, jak se galaxie vyvíjely v průběhu času a zrodily hvězdy.

„Můžeme na počítači vytvořit mnoho různých vesmírů a porovnat je se současným vesmírem, což nám umožňuje pochopit, jaká pravidla vedou k tomu, co vidíme,“ řekl Behroozi, hlavní autor studie.

Studie je první, která vytvořila autokonzistentní vesmíry, které jsou tak přesnou kopií skutečné věci: počítačové simulace představující podstatnou část skutečného vesmíru obsahující 12 milionů galaxií a pokrývající dobu od Velkého třesku po 400 milionů let po Velkém třesku. dárek.

Každý vesmír „Ex-Machina“ byl podroben sérii testů, jejichž cílem bylo vyhodnotit, jak podobné galaxie vypadají ve stvořeném vesmíru ve srovnání se skutečným vesmírem. Vesmír, který je nejvíce podobný tomu našemu, měl podobná fyzikální pravidla, která ukázala nový silný přístup ke studiu formování galaxií.

Podle přístupu autorů pomohly výsledky „Vesmírného stroje“ vyřešit prastarý paradox, proč galaxie přestávají tvořit nové hvězdy, i když si uchovávají hojný vodíkový plyn, surovinu, ze které jsou hvězdy vyráběny.

Běžné představy o tom, jak galaxie tvoří hvězdy, zahrnují složitou souhru mezi zhroucením studeného plynu pod vlivem gravitace do hustých kapes, které vedou ke hvězdám, zatímco jiné procesy neutralizují vznik hvězd.

Například se předpokládá, že většina galaxií má ve svých centrech supermasivní černé díry. Hmota padající do těchto černých děr vyzařuje obrovské energie a chová se jako kosmické pochodně, které brání tomu, aby se plyn dostatečně ochladil, aby se zhroutil do hvězdných školek. Podobně k tomuto procesu přispívají i hvězdy, které ukončily svůj život výbuchem supernovy. Důležitou roli hraje také temná hmota, která poskytuje většinu gravitační síly působící na viditelnou hmotu v galaxii, čerpá studený plyn z periferií galaxie a zahřívá ji v tomto procesu.

“Čím dříve ve vesmíru rotujeme, tím více očekáváme, že temná hmota bude hustší, a proto bude plyn teplejší.” To je pro formování hvězd špatné, takže mnoho galaxií v raném vesmíru mělo už dávno zastavit formování hvězd, “řekl Behroozi. „Zjistili jsme ale opak: galaxie určité velikosti pravděpodobně tvořily vyšší podíl hvězd, na rozdíl od očekávání.“

Behroozi vysvětlil, že aby se shodovaly s pozorováním skutečných galaxií jeho týmem, musí vytvořit virtuální vesmíry, kde nastane opak – vesmíry, kde galaxie produkují hvězdy mnohem déle.

Na druhou stranu, kdyby vědci vytvořili vesmíry založené na současných teoriích formování galaxií (vesmíry, kde galaxie přestaly formovat hvězdy dříve), vypadaly by tyto galaxie mnohem červenější než galaxie, které vidíme na obloze. .

Galaxie vypadají červeně ze dvou důvodů. První je zjevný v přírodě a souvisí s věkem galaxie: pokud byla vytvořena dříve v historii vesmíru, bude se vznášet rychleji a posune světlo do červeného spektra. Astronomové tomu říkají efekt červeného posuvu. Další důvod je také vnitřní: Pokud galaxie přestala tvořit hvězdy, bude obvykle obsahovat méně modrých hvězd, které dříve zmizely a zůstanou se staršími, červenějšími hvězdami.

“Ale my to nevidíme,” řekl Behroozi. “Pokud se galaxie budou chovat tak, jak si myslíme, a přestanou formovat hvězdy dříve, bude náš skutečný vesmír špatně zbarven.” Jinými slovy, museli bychom dojít k závěru, že galaxie vytvářejí hvězdy efektivněji, než jsme si mysleli. A to nám říká, že energie generovaná supermasivními černými dírami a explodujícími hvězdami je méně účinná při škrcení tvorby hvězd, než naše teorie naznačují. “

Podle Behrooziho vytváření simulovaných vesmírů nebývalé složitosti vyžadovalo zcela nový přístup, který se neomezoval pouze na výpočetní sílu a paměť a poskytoval dostatečné rozlišení k šíření škál z „malých“ jednotlivých objektů, jako jsou supernovy. do značné míry. část pozorovatelného vesmíru.

„Simulace jedné galaxie vyžaduje 10 až 48 výpočetních procesů,“ vysvětlil. “Když se všechny počítače na světě spojily, nemohly to udělat za sto let.” Abychom simulovali jedinou galaxii, natož 12 milionů, museli jsme to udělat jinak. “

Tým použil superpočítač „Ocelot“ v klastru UA High Performance Computing a také výpočetní zdroje od Ames Research Center NASA a Leibniz-Rechenzentrum v německém Garchingu. Dva tisíce procesorů zpracovávaly data současně po dobu tří týdnů. Během výzkumného projektu Behroozi a jeho kolegové vytvořili více než 8 milionů vesmírů.

“Pořídili jsme astronomická pozorování za posledních 20 let a porovnali jsme je s miliony simulovaných vesmírů, které jsme vytvořili,” řekl Behroozi. “Shromáždili jsme tisíce informací, abychom zjistili, které se shodují.” Vypadal vesmír, který jsme vytvořili, dobře? Pokud ne, vrátili bychom se zpět, provedli změny a zkontrolovali to znovu. “

Aby lépe porozuměli tomu, jak galaxie vznikly, Behroozi a jeho kolegové plánují rozšířit Vesmírný stroj tak, aby zahrnoval morfologii galaxií a jak se jejich tvary v průběhu času vyvíjely.

„UNIVERSEMACHINE: The Correlation between Galaxy Growth and Dark Matter Halo Assembly from z = 0-10,“ Risa Wechsler ze Stanford University, Andrew Hearin z Argonne National Laboratory a University of Harvard. Financování poskytla NASA, National Science Foundation a Mnichovský institut pro astro a částicovou fyziku.