Екип от астрофизици току-що породи 8 милиона уникални вселени в суперкомпютър и ги остави да се развиват от само върхове до стари джизъри. Тяхната цел? Да премахнем ролята, която невидима субстанция, наречена тъмна материя, изигра в живота на нашата Вселена след Големия взрив и какво означава това за нашата съдба.
След като откриха, че нашата вселена е съставена най-вече от тъмна материя в края на 60-те години на миналия век, учените спекулират с нейната роля за образуването на галактики и способността им да раждат нови звезди във времето.
Според теорията за Големия взрив, не след като се е родила Вселената, невидимо и неуловимо вещество физиците са нарекли тъмната материя, започнала да се слепва заедно със силата на гравитацията в масивни облаци, наречени халоси на тъмната материя. Докато ореолите се увеличаваха, те привличаха оскъдния водород, проникващ във Вселената, за да се съберат и да образуват звездите и галактиките, които виждаме днес. В тази теория тъмната материя действа като гръбнакът на галактиките, диктувайки как те се формират, сливат и развиват във времето.
За да разбере по-добре как тъмната материя оформя тази история на Вселената, Питър Бехрози, доцент по астрономия в Университета в Аризона, и неговият екип създават свои вселени, използвайки суперкомпютъра на училището. 2000 процесора на компютъра работеха без пауза в продължение на три седмици, за да симулират повече от 8 милиона уникални вселени. Всяка вселена поотделно се подчиняваше на уникален набор от правила, за да помогне на изследователите да разберат връзката между тъмната материя и еволюцията на галактиките.
"На компютъра можем да създадем много различни вселени и да ги сравним с действителните. Това ни позволява да заключим кои правила водят до този, който виждаме", казва Бехрози в изявление.
Докато предишните симулации са се фокусирали върху моделиране на единични галактики или генериране на макетни вселени с ограничени параметри, UniverseMachine е първата от обхвата си. Програмата непрекъснато създава милиони вселени, всяка от които съдържа 12 милиона галактики и всяка им позволява да се развива в почти цялата история на реалната вселена от 400 милиона години след Големия взрив до наши дни.
„Големият въпрос е:„ Как се формират галактиките? “, Казва изследователят на проучването Риза Векслер, професор по физика и астрофизика в Станфордския университет. „Наистина готиното в това проучване е, че можем да използваме всички данни, които имаме за еволюцията на галактиките - броя на галактиките, колко звезди имат и как образуват тези звезди - и да поставим това заедно в цялостна картина на последната 13 милиарда години на Вселената. "
Създаването на реплика на нашата Вселена или дори на галактика ще изисква необяснимо количество изчислителна сила. Така Behroozi и неговите колеги стесняват фокуса си върху две ключови свойства на галактиките: тяхната комбинирана маса от звезди и скоростта, с която те раждат нови.
„Симулирането на една галактика изисква от 10 до 48-ата изчислителна операция“, обясни Бехрози, като се позовава на операция на октилион или 1, последвано от 48 нули. "Всички компютри на Земята в комбинация не можеха да направят това за сто години. Така че просто да симулираме една единствена галактика, камо ли 12 милиона, трябваше да направим това по различен начин."
Докато компютърната програма ражда нови вселени, тя прави предположение как скоростта на образуване на звезда в галактика е свързана с нейната епоха, с миналите си взаимодействия с други галактики и с количеството на тъмната материя в ореола си. След това сравнява всяка вселена с реални наблюдения, фина настройка на физическите параметри с всяка итерация, за да съответства по-добре на реалността. Крайният резултат е вселена, почти идентична на нашата.
Според Wechsler техните резултати показват, че скоростта, с която галактиките раждат звезди, е тясно свързана с масата на техните ореоли от тъмна материя. Галактиките с халогенни маси от тъмна материя, най-сходни с нашия Млечен път, имаха най-висок процент на звездообразуване. Тя обясни, че образуването на звезди се задушава в по-масивни галактики чрез изобилие от черни дупки
Техните наблюдения също предизвикаха дълготрайни вярвания, че тъмната материя задушава образуването на звезди в ранната Вселена.
„Като се върнем по-рано и по-рано във Вселената, бихме очаквали тъмната материя да е по-плътна и следователно газът да става все по-горещ и горещ. Това е лошо за образуването на звезди, така че ние бяхме помислили, че много галактики в началото Вселената е трябвало да е спряла да образува звезди отдавна “, каза Бехрози. "Но ние открихме обратното: Галактиките с даден размер е по-вероятно да образуват звезди с по-висока скорост, противно на очакванията."
Сега екипът планира да разшири UniverseMachine, за да тества повече начини, по които тъмната материя може да засегне свойствата на галактиките, включително как се развиват формите им, масата на техните черни дупки и колко често звездите им отиват свръхнови.
"За мен най-вълнуващото е, че сега имаме модел, по който можем да започнем да задаваме всички тези въпроси в рамка, която работи", каза Уекслер. "Имаме модел, който е достатъчно евтин изчислително, че по същество можем да изчислим цяла Вселена за около секунда. Тогава можем да си позволим да направим това милиони пъти и да изследваме цялото пространство на параметрите."
Изследователската група публикува резултатите си в септемврийския брой на списанието Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
