Международен екип от астрономи извърши най-голямата досега космологична компютърна симулация, която проследява не само тъмната, но и нормалната материя. Симулацията FLAMINGO изчислява еволюцията на всички компоненти на Вселената – обикновена материя, тъмна материя и тъмна енергия – според законите на физиката.

С напредването на симулацията се създават виртуални галактики и клъстери от галактики. Симулациите изискват повече от 50 милиона CPU часа и произвеждат повече от 1 петабайт (1 000 000 GB) данни. Резултатите са приети за публикуване в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Три статии описват методите, представят симулациите и предоставят първи поглед върху възможните начини, по които симулациите могат да бъдат използвани в бъдеще.

По света се инвестират огромни суми пари във все по-големи телескопи на земята и в космоса, като например космическия телескоп "Евклид", изстрелян наскоро от Европейската космическа агенция ЕКА. Тези и други съоръжения събират впечатляващи количества данни за галактики, квазари и звезди. Симулации като FLAMINGO играят ключова роля в научното тълкуване на данните чрез свързване на прогнози на теории за нашата вселена с наблюдаваните данни.

Според теорията свойствата на цялата ни вселена се определят от няколко числа, наречени "космологични параметри" (шест в най-простата версия на теорията).

Стойностите на тези параметри могат да бъдат измерени много точно по различни начини. Една от тях се основава на свойствата на космическото фоново лъчение, топлинното лъчение, останало от Големия взрив. Но не всички тези стойности съвпадат с тези, измерени с други техники, които разглеждат начина, по който гравитацията на галактиките огъва светлината. Тези противоречия могат да означават края на Стандартния модел на космологията – "модела на студената тъмна материя".

Компютърните симулации могат да изяснят причината за тези противоречия (или напрежения), защото могат да намерят възможни системни грешки в измерванията. Ако нито един от тези недостатъци не се окаже достатъчен, за да разсее напрежението, теорията наистина е в беда.

Компютърните симулации, с които се сравняват наблюденията, досега са проследявали само студената тъмна материя.

"Въпреки че тъмната материя доминира над гравитацията, приносът на обикновената материя вече не може да бъде пренебрегван"“, коментира ръководителят на изследването Джоп Шайе (Joop Schaye) от Лайденския университет, "тъй като може да бъде сравним с отклоненията между моделите и наблюденията."

Първоначалните резултати показват, че както неутриното, така и обикновената материя са от съществено значение за правенето на точни прогнози, но те не премахват напрежението между различните космологични наблюдения.

Фоновото изображение показва днешното разпределение на материята в проекция на срез с дебелина 130 милиона светлинни години чрез най-голямата симулация на FLAMINGO на кубичен обем със страна 9,132 милиона светлинни години (2,8 Gpc, гигапарсека). Яркостта на фона представлява дава днешното разпределение на студената тъмна материя, докато цветът представлява разпределението на неутрино. Космическата мрежа (мащабната структура на Вселената) се вижда ясно. Фактът, че цветът се променя по-плавно от яркостта, показва, че неутриното се групират в мащаби с по-голяма дължина от студената тъмна материя. Вмъкнатите панели показват три последователни увеличения, центрирани върху най-масивния галактикически куп. Те последователно показват температурата на газа по линията на видимост, повърхностната плътност на тъмната материя и повърхностната яркост на рентгеновите лъчи. Увеличенията показват широк диапазон от мащаби на дължина, проследени от симулацията. Кредит: Фигура от Schaye et al. (2023). Josh Borrow, the FLAMINGO team and the Virgo Consortium.

Космологията има два неприятни проблема

Космологията има два неприятни проблема. Първо: Текущата скорост на разширяване на Вселената (константата на Хъбъл) е по-висока, отколкото бихте очаквали въз основа на наблюденията на космическия микровълнов фон (топлинното лъчение, останало от Големия взрив). Това несъответствие понякога се нарича напрежение на Хъбъл. Второ: Вселената изглежда не толкова клъстеризирана, колкото прогнозира Стандартният космологичен модел, проблем, известен като напрежението S8.

Какво е напрежението S8?

Когато изследват Вселената, астрономите понякога работят с това, което е известно като параметър S8. Този параметър основно характеризира доколко силно групирана е цялата материя в нашата вселена и може да бъде измерен точно с това, което е известно като наблюдения с ниско червено отместване. Астрономите използват червеното отместване, за да измерят колко далеч е даден обект от Земята, а изследванията с ниско червено отместване, като "проучвания със слаби гравитационни лещи", могат да осветят процесите, протичащи в далечната и следователно по-стара Вселена.

Но стойността на S8 може също да бъде предсказана с помощта на Стандартния модел на космологията. Учените могат по същество да настроят модела, за да съответства на известните свойства на космическия микровълнов фон (CMB), който е радиацията, остатъчна от Големия взрив, и да изчислят бучките материя от там.

Тези експерименти с CMB откриват по-висока стойност на S8 от проучванията със слаби гравитационни лещи. И космолозите не знаят защо - те наричат ​​това несъответствие S8 напрежение.

Всъщност напрежението S8 е назряваща криза в космологията, малко по-различна от известния си братовчед: напрежението на Хъбъл, което се отнася до несъответствията, с които учените се сблъскват при определянето на скоростта на разширяване на Вселената.

Причината, поради която новата симулация на екипа не предлага отговор на напрежението на S8 е, че за разлика от предишни симулации, които разглеждат само ефектите на тъмната материя върху развиващата се вселена, най-новата работа взема предвид и ефектите на обикновената материя. За разлика от тъмната материя, обикновената материя се управлява от гравитацията, както и от налягането на газовете във Вселената. Например галактическите ветрове, задвижвани от експлозии на свръхнови и активно натрупващи се свръхмасивни черни дупки, са решаващи процеси, които преразпределят обикновената материя, издухвайки нейните частици в междугалактическото пространство.

Въпреки това, дори разглеждането на обикновената материя в новата работа, както и на някои от най-екстремните галактически ветрове, не бе достатъчно, за да обясни слабото струпване на материя, наблюдавано в днешната вселена.

"Вълнуваща възможност е напрежението да сочи към недостатъци в Стандартния модел на космологията или дори Стандартния модел на физиката", коментира Шайе пред Space.com.

Тези напрежения могат да означават края на Стандартния модел на космологията – "модела на студената тъмна материя".

Обикновена материя и неутрино

Симулациите, които проследяват и обикновена, така наречена барионна материя, са много по-голямо предизвикателство и изискват много повече изчислителна мощност. Това е така, защото обикновената материя – която съставлява само 16% процента от цялата материя във Вселената – усеща не само гравитацията, но и газовото налягане, което позволява материята да бъде издухана от галактиките от активни черни дупки и свръхнови далеч в междугалактическото пространство. Силата на тези междугалактически ветрове зависи от експлозиите в междузвездната среда и е много трудно да се предвиди. 

Освен това приносът на неутриното, субатомни частици с много малка, но не точно известна маса, също е важен. Движението на неутрино също не е симулирано досега.

Методът

Астрономите са завършили серия от компютърни симулации, които проследяват формирането на структура в тъмната материя, нормалната материя и неутриното. 

"Ефектът от галактическите ветрове е калибриран с помощта на машинно обучение, чрез сравняване на прогнозите на много различни симулации на относително малки обеми с наблюдаваните маси на галактики и разпределението на газ в клъстери от галактики", обяснява докторантът Рой Кугел (Roi Kugel) от Лайденския университет.

Изследователите симулират модела, който най-добре описва калибровъчните наблюдения със суперкомпютър в различни космически обеми и с различни разделителни способности. Освен това те променят параметрите на модела, включително силата на галактическите ветрове, масата на неутриното и космологичните параметри в симулации на малко по-малки, но все пак големи обеми.

Повърхностната плътност на студената тъмна материя е моделирана в 20 Mpc срез от Вселената. Това е част от симулацията FLAMINGO. Кредит: Joop Schaye, et al.

Най-голямата симулация използва 300 милиарда разделителни елемента (частици с масата на малка галактика) в кубичен обем с граници, обхващащи десет милиарда светлинни години. Това е най-голямата космологична компютърна симулация с обикновена материя, завършвана някога. 

"За да направим тази симулация възможна, ние разработихме нов код, SWIFT, който ефективно разпределя изчислителната работа върху 30 хиляди процесора", разказва Матю Шалер (Matthieu Schaller) от Лайденския университет.

Тези паралелни графики сравняват повърхностната плътност на газ (вляво) и частици тъмна материя (вдясно) в съвременната Вселена. Тази част от вселената е 50x50x20 мегапарсека. Вмъкнатите панели увеличават мащаба на масивен ореол от тъмна материя, който може да съдържа много галактики. Кредит: Schaye et al.

Последващи изследвания

Симулациите на FLAMINGO отварят нов виртуален прозорец към Вселената, който ще помогне да се възползват максимално от космологичните наблюдения.

Освен това голямото количество (виртуални) данни създава възможности за нови теоретични открития и за по-нататъшно тестване на нови техники за анализ на данни, включително машинно обучение.

Използвайки машинно обучение, астрономите могат след това да правят прогнози за произволни виртуални вселени. Сравнявайки ги с наблюденията на мащабната структура, те могат да измерват стойностите на космологичните параметри. Освен това те могат да измерват свързаните несигурности чрез сравняване с наблюдения, които определят ефекта на галактическите ветрове.