Міжнародна група астрономів зробила те, що вважають найбільшим в історії космологічним комп’ютерним моделюванням, відстеживши не лише темну, але й звичайну матерію (таку як планети, зорі та галактики). Це дає науковцям можливість поглянути на те, як міг розвиватися Всесвіт.
Моделювання FLAMINGO враховує еволюцію всіх компонентів Всесвіту — звичайної матерії, темної матерії та темної енергії — відповідно до законів фізики. У процесі симуляції з’являються віртуальні галактики та скупчення галактик. За результатами моделювання опубліковано три статті в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: одна описує методи, інша представляє моделювання, а третя описує, як добре моделювання відтворює великомасштабну структуру Всесвіту.
Такі засоби, як космічний телескоп «Евклід», нещодавно запущений Європейським космічним агентством і космічний телескоп Джеймса Вебба NASA, збирають разючі обсяги даних про галактики, квазари та зорі. Симуляції, такі як FLAMINGO, відіграють основну роль у науковій інтерпретації даних, пов’язуючи передбачення теорій, що описують наш всесвіт, з даними спостережень.
Згідно з теорією, властивості Всесвіту як цілого визначають кілька чисел, які називаються «космологічними параметрами» (у найпростішому варіанті теорії їх шість). Значення цих параметрів можна дуже точно виміряти різними методами.
Один із цих методів спирається на властивості космічного мікрохвильового фону (cosmic microwave background, CMB), слабкого фонового випромінювання, що залишилося від раннього Всесвіту. Однак обчислені значення не збігаються з тими, що виміряні іншими методами, які засновані на тому, що гравітація галактик заломлює світло, тобто на явищі гравітаційного лінзування. Ці «напруги», тобто невідповідності між значеннями космологічних параметрів, визначених різними методами, можуть сигналізувати про хибність стандартної моделі космології — моделі холодної темної матерії.
Комп’ютерне моделювання може виявити причину цих розбіжностей, що допоможе науковцям виявити ймовірні систематичні помилки у вимірюваннях. Якщо нічого суттєвого для пояснення напруги виявити не вдасться, то проблема теорії стане очевидною.
Досі комп’ютерне моделювання, результати якого порівнювали зі спостережними даними, відстежувало поведінку лише холодної темної матерії. «Хоча темної матерії більше, ніж видимої, внеском речовини більше не можна нехтувати, — зазначив керівник дослідження Джоп Шайе (Joop Schaye) з Лейденського університету, — бо цей внесок може бути визначальним для розбіжностей між моделями та спостереженнями».
Перші результати показують, що речовину і нейтрино потрібно враховувати, щоб отримати точні прогнози еволюції матерії у Всесвіті, але це не усуває суперечності між різними космологічними спостереженнями.
Симуляції, які також відстежують баріонну матерію (чи баріони), є набагато складнішими та потребують набагато більшої обчислювальної потужності. Це пояснюється тим, що на звичайну матерію, яка становить лише шістнадцять відсотків усієї матерії у Всесвіті, діє не лише сила тяжіння, але й тиск газу. Він може спричинити викид речовини з галактик із активними чорними дірами та надновими зорями далеко в міжгалактичний простір.
Сила цих міжгалактичних вітрів залежить від вибухів у міжзоряному середовищі, і її дуже важко передбачити. Крім того, внесок нейтрино, субатомних частинок дуже малої, але точно невідомої маси, також важливий, але їх рух досі не моделювали.
Аспірант Рой Куґель (Roi Kugel) з Лейденського університету пояснює: «Ефект галактичних вітрів був відкалібрований за допомогою машинного навчання через порівняння передбачень багатьох різних симуляцій відносно малих об’ємів із спостережуваними масами галактик і розподілом газу в скупченнях галактик».
Дослідники побудували модель, яка найкраще описує калібровані спостережні дані, за допомогою суперкомп’ютера в різних космічних об’ємах і з різною роздільною здатністю. Крім того, вони змінювали параметри моделі, додаючи силу галактичних вітрів, масу нейтрино та космологічні параметри в симуляції трохи менших, але все ще великих об’ємів.
Найбільше моделювання використовує 300 мільярдів елементів роздільної здатності (частинок з масою маленької галактики) в кубічному об’ємі зі сторонами в десять мільярдів світлових років. Наукова спільнота вважає, що це найбільше космологічне комп’ютерне моделювання зі звичайною матерією, яке коли-небудь було виконане. Метью Шаллер (Matthieu Schaller) з Лейденського університету сказав: «Щоб зробити це моделювання можливим, ми розробили новий код, SWIFT, який ефективно розподіляє обчислювальну роботу між 30 тисячами процесорами».
Моделювання FLAMINGO відкриває нове віртуальне вікно у Всесвіті, яке допоможе максимально використати космологічні спостереження. Крім того, велика кількість (віртуальних) даних створює можливості для нових теоретичних відкриттів і тестування нових методів аналізу даних, зокрема машинне навчання.
Використовуючи машинне навчання, астрономи можуть робити прогнози для випадкових віртуальних всесвітів. Через порівняння їх із спостереженнями великомасштабних структур, науковці можуть виміряти значення космологічних параметрів. Крім того, вони можуть вимірювати невизначеності, які обмежують вплив галактичних вітрів, та порівнювати отримані значення з даними спостережень.
За інф.з сайту https://phys.org
