Команда астрофізиків тільки що породила 8 мільйонів унікальних всесвітів всередині суперкомп'ютера і дозволила їм еволюціонувати від всього лише до старих геїв. Їх мета? Знищити ту роль, яку невидима субстанція під назвою темна матерія відігравала в житті нашого Всесвіту з часів Великого вибуху, і що це означає для нашої долі.
Виявивши, що наш Всесвіт здебільшого складається з темної речовини наприкінці 1960-х років, вчені роздумували над його роллю у формуванні галактик та їх здатністю народжувати нові зірки з часом.
Згідно з теорією Великого вибуху, невдовзі після народження Всесвіту фізики-невидимі і невловимі речовини, що охрестили темну матерію, силою тяжіння почали зливатися в масивні хмари, що називаються ореолами темної матерії. Коли ореоли збільшувалися в розмірах, вони залучали рідкий газ водню, що пронизував Всесвіт, щоб зібратися разом і сформувати зірки та галактики, які ми бачимо сьогодні. У цій теорії темна матерія виступає основою галактик, диктуючи те, як вони формуються, зливаються та розвиваються з часом.
Щоб краще зрозуміти, як темна матерія формувала цю історію Всесвіту, доцент астрономії університету Арізони Пітер Бехрозі та його команда створили власні всесвіти, використовуючи шкільний суперкомп'ютер. 2000 процесорів комп'ютера працювали без пауз протягом три тижні, щоб імітувати понад 8 мільйонів унікальних всесвітів. Кожен Всесвіт окремо дотримувався унікального набору правил, щоб допомогти дослідникам зрозуміти зв’язок між темною речовиною та еволюцією галактик.
"На комп'ютері ми можемо створити багато різних всесвітів і порівняти їх з фактичними, і це дозволяє нам зробити висновок, які правила призводять до того, що ми бачимо", - заявив Бехрозі в заяві.
Хоча попередні симуляції були зосереджені на моделюванні одиночних галактик або генеруванні макетних всесвітів з обмеженими параметрами, UniverseMachine є першим у своїй області застосування. Програма постійно створювала мільйони всесвітів, кожен з яких містив 12 мільйонів галактик, і кожен дозволяв еволюціонувати протягом майже всієї історії реального Всесвіту від 400 мільйонів років після Великого вибуху до наших днів.
"Велике питання:" Як утворюються галактики? ", - сказала дослідник дослідження Різа Векслер, професор фізики та астрофізики в Стенфордському університеті. "Дійсно класна річ у цьому дослідженні полягає в тому, що ми можемо використовувати всі дані, які ми маємо про еволюцію галактик - кількість галактик, скільки зірок у них і як вони утворюють ці зірки - і скласти це разом у вичерпну картину останньої 13 мільярдів років Всесвіту ".
Створення репліки нашого Всесвіту чи навіть галактики вимагало б незрозумілої кількості обчислювальної потужності. Тож Бехрозі та його колеги звузили увагу до двох ключових властивостей галактик: їх об'єднаної маси зірок та швидкості, з якою вони народжують нові.
"Моделювання однієї галактики вимагає від 10 до 48-х обчислювальних операцій", - пояснив Бехрозі, маючи на увазі операцію "Октиліон", або 1, а потім 48 нулів. "Усі комп'ютери на Землі разом не могли цього зробити за сто років. Тож, щоб просто імітувати одну галактику, не кажучи вже про 12 мільйонів, нам довелося це робити по-іншому".
Оскільки комп'ютерна програма породжує нові всесвіти, вона здогадується про те, як швидкість утворення зірки пов'язана з її віком, минулими взаємодіями з іншими галактиками та кількістю темної речовини в ореолі. Потім вона порівнює кожний Всесвіт з реальними спостереженнями, точно налаштовуючи фізичні параметри з кожною ітерацією, щоб краще відповідати дійсності. Кінцевим результатом є Всесвіт, майже ідентичний нашому.
За словами Векслера, їх результати показали, що швидкість, з якою галактики народжують зірки, тісно пов'язана з масою ореолів темної речовини. Галактики з масовими ореолами темної матерії, найбільш схожими на наш власний Чумацький Шлях, мали найвищі показники утворення зірок. Вона пояснила, що утворення зірок задушується в більш масивних галактиках великою кількістю чорних отворів
Їх спостереження також кидали виклик давнім повір'ям, що темна матерія задушила утворення зірок у ранньому Всесвіті.
"Поки ми повертаємося раніше і раніше у Всесвіт, ми очікували б, що темна речовина буде густішою, а отже, газ стає все гарячішим і гарячішим. Це погано для утворення зірок, тому ми думали, що багато галактик на початку Всесвіт давно повинен був перестати утворювати зірки ", - сказав Бехрозі. "Але ми виявили протилежне: Галактики заданого розміру, швидше за все, утворюють зірки з більшою швидкістю, всупереч очікуванню."
Тепер команда планує розширити UniverseMachine, щоб перевірити більше способів, яким темна речовина може впливати на властивості галактик, включаючи те, як змінюються їх форми, маса їх чорних дір та як часто їх зірки перетворюються на наднову.
"Для мене найприємніше те, що зараз у нас є модель, за якою ми можемо почати задавати всі ці питання в рамках, який працює", - сказав Векслер. "У нас є досить недорога обчислювальна модель, що ми можемо по суті розрахувати весь Всесвіт за секунду. Тоді ми можемо дозволити собі це зробити мільйони разів і вивчити весь простір параметрів".
Дослідницька група опублікувала свої результати у вересневому номері журналу Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
