Ryhmä astrofysiikan tutkijoita on juuri syntynyt 8 miljoonaa ainutlaatuista maailmankaikkeutta supertietokoneen sisällä ja antanut heidän kehittyä vain pienistä kokonaisuuksista vanhoihin geezereihin. Heidän päämääränsä? Naulata rooli, jota näkyvä aine, nimeltään pimeä aine, on ollut maailmankaikkeuden elämässä Ison räjähdyksen jälkeen ja mitä se tarkoittaa kohtalomme kannalta.
Saatuaan selville, että universumimme koostuu pääosin tummasta aineesta 1960-luvun lopulla, tutkijat ovat spekuloineet sen merkityksestä galaksien muodostumisessa ja kyvystään synnyttää uusia tähtiä ajan myötä.
Big Bang -teorian mukaan, kauan sitten maailmankaikkeuden syntymisen jälkeen näkymätön ja vaikea aine, jonka fyysikot ovat puhuneet tummasta aineesta, alkoivat painovoiman avulla ryhmittyä yhteen massiivisiksi pilveiksi, joita kutsutaan tumman ainehalogeiksi. Halogeenien koon kasvaessa ne houkuttelivat universumia läpäisevää harvaa vetykaasua tulemaan yhteen muodostamaan tähtien ja galaksien, joita näemme tänään. Tässä teoriassa tumma aine toimii galaksien selkärangana, sanoen kuinka ne muodostuvat, sulautuvat ja kehittyvät ajan myötä.
Arizonan yliopiston tähtitieteen apulaisprofessori Peter Behroozi ja hänen tiiminsä loivat paremman kuvan siitä, kuinka tumma aine muovasi tätä maailmankaikkeuden historiaa koulun supertietokoneen avulla. Tietokoneen 2 000 prosessoria työskentelivät ilman taukoa kolmen viikon ajan simuloida yli 8 miljoonaa ainutlaatuista maailmankaikkeutta. Jokainen maailmankaikkeus noudatti erikseen ainutlaatuisia sääntöjä, joiden avulla tutkijat ymmärtävät tumman aineen ja galaksien evoluution välistä suhdetta.
"Tietokoneella voimme luoda monia erilaisia universumeja ja verrata niitä todelliseen, ja sen avulla voimme päätellä, mitkä säännöt johtavat näkemykseen", Behroozi totesi lausunnossaan.
Vaikka aikaisemmissa simulaatioissa on keskitytty yksittäisten galaksien mallintamiseen tai rajoitettujen parametrien malli-universumien luomiseen, UniverseMachine on ensimmäinen laajuudestaan. Ohjelma loi jatkuvasti miljoonia maailmankaikkeuksia, joista jokainen sisälsi 12 miljoonaa galaksia, ja jokaisen annettiin kehittyä melkein koko todellisen maailmankaikkeuden historian aikana 400 miljoonasta vuodesta Ison räjähdyksen jälkeen nykypäivään.
"Suuri kysymys on," Kuinka galaksit muodostuvat? "", Sanoi tutkija Risa Wechsler, fysiikan ja astrofysiikan professori Stanfordin yliopistossa. "Tämän tutkimuksen todella hieno asia on, että voimme käyttää kaikkea galaksien evoluutioamme olemassa olevaa tietoa - galaksien lukumäärää, kuinka monta tähteä heillä on ja kuinka ne muodostavat näitä tähtiä - ja koota tämä kattava kuva viimeisimmistä 13 miljardia vuotta maailmankaikkeudesta. "
Universumin tai jopa galaksin kopion luominen vaatisi selittämätöntä määrää laskentatehoa. Joten Behroozi ja hänen kollegansa kavensivat keskittymistään galaksien kahteen keskeiseen ominaisuuteen: niiden yhdistelmätähteiden massaan ja nopeuteen, jolla ne synnyttävät uusia.
"Yhden galaksin simulointi vaatii 10 - 48. laskentaoperaatiota", Behroozi selitti viitaten oktillionoperaatioon tai 1: een, jota seuraa 48 nolla. "Kaikki maapallon tietokoneet yhdessä eivät voineet tehdä tätä sata vuotta. Joten vain simuloidaksemme yhtä galaksia, puhumattakaan 12 miljoonasta, meidän piti tehdä tämä eri tavalla."
Kun tietokoneohjelma kutee uusia maailmankaikkeuksia, se antaa arvauksen siitä, kuinka galaksin tähtien muodostumisnopeus liittyy sen ikään, sen aikaisempiin vuorovaikutuksiin muiden galaksejen kanssa ja tumman aineen määrään sen halogeenissa. Sitten se vertaa jokaista maailmankaikkeutta todellisilla havainnoilla, hienosäätämällä fyysisiä parametreja jokaisella iteraatiolla vastaamaan paremmin todellisuutta. Lopputulos on maailmankaikkeus, joka on lähes identtinen omaamme.
Wechslerin mukaan niiden tulokset osoittivat, että galaksien tähdet synnyttämisnopeus on tiiviisti sidoksissa niiden pimeän aineen halogeenien massaan. Galakseilla, joissa tumman aineen halogeenimassat ovat kaikkein samankaltaisia kuin omaan Linnunradanne, oli korkein tähteiden muodostumisnopeus. Hän selitti, että tähtien muodostumista tukahdutetaan massiivisimmissa galakseissa monien mustaaukkojen avulla
Heidän havaintonsa kyseenalaistivat myös pitkään pidetyt uskomukset, että tumma aine tukahdutti tähtiä muodostumisen varhaisessa universumissa.
"Kun palaamme aikaisemmin ja aikaisemmin maailmankaikkeudessa, odotamme, että tumma aine on tiheämpää, ja siksi kaasu tulee yhä kuumempaa. Tämä on haittaa tähtiä muodostuvalle, joten olimme ajatellut, että monet galaksit varhaisessa vaiheessa maailmankaikkeuden olisi pitänyt lopettaa tähtien muodostuminen kauan sitten ", Behroozi sanoi. "Mutta löysimme päinvastoin: tietyn kokoiset galaksit muodostivat todennäköisemmin tähtiä korkeammalla nopeudella, toisin kuin odotettiin."
Nyt joukkue aikoo laajentaa UniverseMachine-tekniikkaa testataksesi lisää tapoja, kuinka tumma aine voi vaikuttaa galaksien ominaisuuksiin, mukaan lukien miten niiden muodot kehittyvät, niiden mustien reikien massa ja kuinka usein heidän tähtensä menevät supernoviin.
"Minulle mielenkiintoisin on, että meillä on nyt malli, jossa voimme alkaa kysyä kaikkia näitä kysymyksiä toimivassa kehyksessä", Wechsler sanoi. "Meillä on malli, joka on riittävän edullinen laskennallisesti, jotta pystymme laskemaan koko maailmankaikkeuden oleellisesti noin sekunnissa. Sitten meillä on varaa tehdä se miljoonia kertoja ja tutkia koko parametritilaa."
Tutkimusryhmä julkaisi tuloksensa Royal Astronomical Society -lehden Monthly Notices -lehden syyskuun numerossa.
