Tarp astronomijos studentų sklando senas pokštas apie kosmologijos pamokos baigiamojo egzamino klausimą. Tai atrodo taip: „Apibūdinkite visatą ir pateikite tris pavyzdžius“. Na, Vokietijos, JAV ir Jungtinės Karalystės mokslininkų komanda žengė milžinišką šuolį, kad pateiktų bent vieną tikslų pavyzdį, kaip atrodo visata.

Norėdami tai padaryti, jie panaudojo modeliavimo rinkinį, pavadintą „MillenniumTNG“. Jis seka galaktikų kaupimąsi ir kosminę struktūrą laikui bėgant. Tai taip pat suteikia naują vaizdą apie standartinį kosmologinį visatos modelį. Tai naujausias kosmologinis modeliavimas ir jis sujungia tokias ambicingas pastangas kaip AbacusSummit projektas prieš dvejus metus.

Šiame modeliavimo projekte atsižvelgiama į kuo daugiau kosminės evoliucijos aspektų. Jis naudoja įprastos (barioninės) materijos modeliavimą (tai, ką matome visatoje). Tai taip pat apima tamsiąją medžiagą, neutrinus ir tamsiąją energiją, kurių visatos formavimo mechanizmai vis dar neaiškūs. Tai ilgas prašymas.

Visatos modeliavimas

Daugiau nei 120 000 SuperMUC-NG kompiuterių centrų Vokietijoje dirbo su MillenniumTNG duomenimis. Po to erdvės regione, kurio skersmuo apie 2400 milijonų šviesmečių, susiformavo apie šimtas milijonų galaktikų. Tada „Cosma8“ Durhame pradėjo skaičiuoti visatą, didesnę nei dydis, bet užpildytą trilijonu imituotų tamsiosios medžiagos dalelių ir dar 10 milijardų, stebinčių masyvių neutrinų veikimą.

Šio skaičiaus traškučių rezultatas buvo imituotas visatos regionas, atspindintis galaktikų sudėtį ir pasiskirstymą. Dydis buvo pakankamai didelis, kad kosmologai galėtų jį panaudoti prielaidoms apie visą visatą ir jos istoriją ekstrapoliuoti. Jie taip pat gali jį naudoti ieškodami „įtrūkimų“ standartiniame kosmologiniame visatos modelyje.

Kosmologinis modelis ir prognozė

Kosmologai turi šį pagrindinį modelį, kurį jie siūlo paaiškinti visatos evoliucijai. Tai vyksta taip: Visatoje yra įvairių rūšių materijos. Yra įprasta barioninė medžiaga, iš kurios mes visi – žvaigždės, planetos ir galaktikos – esame sudaryti. Tai yra šiek tiek mažiau nei 5% visatos „daiktų“. Likusi dalis yra tamsioji medžiaga ir tamsioji energija.

Kosmologų bendruomenė šį keistą kosminių sąlygų rinkinį vadina „šaltos lambda tamsiosios medžiagos“ (sutrumpintai LCDM) modeliu. Iš tikrųjų tai labai gerai apibūdina visatą. Tačiau yra tam tikrų neatitikimų. Būtent tai turėtų padėti išspręsti modeliavimas. Modelis remiasi duomenimis iš įvairių šaltinių, įskaitant kosminę mikrobangų spinduliuotę iki „kosminio tinklo“, kur galaktikos išsidėsčiusios išilgai sudėtingo tamsiosios medžiagos gijų tinklo.

Vis dar trūksta gero supratimo, kas tiksliai yra tamsioji materija. O tamsiajai energijai tai iššūkis. O astrofizikai ir kosmologai nori geriau suprasti LCDM ir dviejų didelių nežinomųjų egzistavimą. Tam iš astronomų reikia daug jautrių naujų stebėjimų. Kitoje monetos pusėje jiems taip pat reikia išsamesnių prognozių, ką iš tikrųjų siūlo LCDM modelis. Tai didelis iššūkis ir būtent tai skatina „MillenniumTNG“ didelius modeliavimus. Jei kosmologai gali sėkmingai imituoti visatą, jie gali panaudoti tuos modeliavimus, kad padėtų suprasti, kas vyksta „realiame gyvenime“. Tai apima galaktikų savybes tiek šiuolaikinėje, tiek labai ankstyvoje visatoje.

Suprasti ir nuspėti galaktikų tendencijas visatoje naudojant MillenniumTNG

„MillenniumTNG“ modeliavimas vyksta pagal ankstesnius modeliavimo projektus „Millennium“ ir „IllustrisTNG“. Ši naujesnė grupė yra priemonė, skirta atkreipti dėmesį į kai kurias jų supratimo apie galaktikų evoliuciją ir formas (arba morfologiją) spragas.

Astronomai jau seniai žinojo apie tai, kas vadinama „vidiniu galaktikos derinimu“. Tai iš esmės yra galaktikų tendencija orientuoti savo formas panašiomis kryptimis dėl priežasčių, kurių niekas iki galo nesupranta.

Pasirodo, kad silpnas gravitacinis lęšis turi įtakos tam, kaip matome galaktikos išsidėstymą. „MillenniumTNG“ modeliavimas galėtų leisti astronomams išmatuoti tokius išlyginimus „realiame pasaulyje“, naudojant imituotus lygiavimus. Pasak komandos narės Anos Maria Delgado, tai didžiulis žingsnis į priekį. „Galbūt mūsų nustatytas vidinis galaktikų krypčių derinimas gali padėti išspręsti dabartinį klasterio medžiagos amplitudės neatitikimą, gautą iš silpno lęšio ir kosminio mikrobangų fono“, – sakė ji.

skambantis praeityje

Kaip ir kitose kosmologijos srityse, MillenniumTNG grupė tiria labai jauną visatą modeliavimu. Tai laikas po reionizacijos eros, kai jau ryškiai švietė pirmosios žvaigždės ir išsivystė pirmosios galaktikos. Kai kurios iš tų ankstyvųjų galaktikų yra labai didelės, o tai atrodo nepatenka į jaunos visatos kontekstą. Juos matė Jameso Webbo kosminis teleskopas (JWST) ir lieka klausimas: kaip jie tapo tokie masyvūs per tokį trumpą laiką po Didžiojo sprogimo?

Atrodo, kad MillenniumTNG modeliavimas atkartoja šią kai kurių ankstyvųjų galaktikų tendenciją per trumpą laiką eksponentiškai augti. Paprastai tai būtų maždaug 500 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. Taigi, kodėl šios galaktikos tokios masyvios? Astronomas Rahul Kannan siūlo keletą idėjų, kaip tai paaiškinti. „Galbūt žvaigždžių formavimasis buvo efektyvesnis netrukus po Didžiojo sprogimo, palyginti su vėlesniais laikais, arba tuo metu masyvios žvaigždės galėjo formuotis didesniu greičiu, todėl šios galaktikos tapo neįprastai ryškios“, – aiškino jis.

Dabar, kai JWST žiūri į ankstesnius kosminės istorijos laikus, bus įdomu pamatyti, ar modeliavimas numato, ką jis randa. Keenanas teigia, kad tarp tikrosios visatos ir modeliavimo gali būti atotrūkis. Jei taip atsitiks, tai kosmologams užduos dar vieną gluminantį klausimą apie ankstyviausias kosminės istorijos eras.

Imituotų ir realių visatos tyrinėjimų ateitis

Ateinančius kosmologinių tyrimų dešimtmečius labai pravers tokie modeliai kaip „Tūkstantmečio TNG“. Tačiau modeliavimas yra toks pat geras, kaip ir gaunami duomenys bei jų mokslo komandos daromos prielaidos. „MillenniumTNG“ naudojasi didžiulėmis informacijos duomenų bazėmis, taip pat superkompiuterių galimybėmis apdoroti jos duomenis. Pasak komandos pagrindinio tyrėjo, Maxo Plancko instituto profesoriaus Volkerio Sprengelio, modeliavimas, sugeneravęs daugiau nei 3 petabaitus duomenų, yra pagrindinis kosmologijos turtas.

„MillenniumTNG sujungia naujausius galaktikų formavimosi modeliavimo pasiekimus ir didelio masto kosminės struktūros lauką, leidžiantį patobulinti teorinį galaktikų ryšio su visatos tamsiosios materijos pagrindu modeliavimą“, – sakė jis. „Tai gali būti labai naudinga siekiant išspręsti pagrindinius kosmologijos klausimus, pavyzdžiui, kaip neutrinų masę galima geriau apriboti didelio masto struktūros duomenimis.

Jo prognozės tikrai atitinka MillenniumTNG projekto tikslus. Komandos ir toliau remiasi „IlustrisTNG“ projekto sėkme, kuriame buvo vykdomi hidrodinaminiai modeliai, o ne tik tamsiosios medžiagos „Tūkstantmečio“ modeliavimas, sukurtas beveik prieš dešimtmetį. Komandos modeliai buvo naudojami tiriant daugybę skirtingų galaktikos dalykų. Tai apima galaktikų materijos ir aureolių agregaciją, galaktikų spiečius ir jų pasiskirstymą, galaktikų formavimosi modelius, galaktikų spiečius ankstyvojoje visatoje, vidines galaktikų rikiuotės ir kitas susijusias temas. Nors jie gali nesugebėti visiškai apibrėžti visatos (ir pateikti tris pavyzdžius), MillenniumTNG komanda žengia didžiulius žingsnius, kad suprastų jos kilmę ir evoliuciją.

Daugiau informacijos

Ieškoma įtrūkimų standartiniame kosmologiniame modelyje
MilleniumTNG projekto tinklalapis