Οι αστροφυσικοί χτίζουν ένα εικονικό σύμπαν

Στην πιο λεπτομερή προσπάθεια ακόμη, οι αστροφυσικοί και οι κοσμολόγοι έχουν μοντελοποιήσει την εξέλιξη του σύμπαντος μέχρι το σχηματισμό μεμονωμένων γαλαξιών. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης υπολογιστή-μαμούθ ταιριάζουν απόλυτα με πολλαπλές αστρονομικές παρατηρήσεις, που κυμαίνονται από την κατανομή των γαλαξιών σε ογκώδη σμήνη γαλαξιών έως τις ποσότητες ουδέτερου αερίου υδρογόνου σε μεγάλους και μικρούς γαλαξίες. Τα ευρήματα επιβεβαιώνουν για άλλη μια φορά την τυπική θεωρία των κοσμολόγων για τα βασικά συστατικά του σύμπαντος και την εξέλιξή του—ένα αποτέλεσμα που μπορεί να απογοητεύσει τους ερευνητές που ελπίζουν να λύσουν νέους γρίφους.

«Πρόκειται για μια τεράστια πρόοδο», λέει ο Carlos Frenk, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Durham στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος εργάζεται σε μια ανταγωνιστική προσπάθεια. «Αλλάζει τον τρόπο που μπορούμε να αντιμετωπίσουμε τη φυσική που παίζει στη φύση, επειδή έχουμε ένα εργαλείο για να χειριστούμε τις λεπτομέρειες». Ωστόσο, ένας κορυφαίος ερευνητής υποστηρίζει ότι η νέα εργασία δεν είναι το μόνο που πρέπει να γίνει.

Για λίγο περισσότερο από μια δεκαετία, οι κοσμολόγοι και οι αστροφυσικοί γνώριζαν την ακριβή συνταγή για το σύμπαν. Από μελέτες σχετικά με τη λάμψη της μεγάλης έκρηξης ή το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, την κατανομή των γαλαξιών και άλλες παρατηρήσεις, έχουν καθορίσει ότι το σύμπαν αποτελείται από 5% συνηθισμένη ύλη όπως αυτή στα αστέρια και τους ανθρώπους, 27% από μυστηριώδη σκοτεινή ύλη της οποίας η βαρύτητα συγκρατεί τους γαλαξίες μαζί και το 68% της περίεργης σκοτεινής ενέργειας που εκτείνεται στο διάστημα, η οποία προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος.

Δεδομένης αυτής της συνταγής, οι ερευνητές μπόρεσαν να προσομοιώσουν την εξέλιξη του σύμπαντος. Συγκεκριμένα, το 2005 ευρωπαίοι ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου του Frenk, ανέπτυξαν την Προσομοίωση Millennium, η οποία εντόπισε πώς κατά τη διάρκεια της εποχής του σύμπαντος η σκοτεινή ύλη συγχωνεύτηκε μέσω της δικής της βαρύτητας σε γιγάντιες συστάδες και σκέλη σε έναν «κοσμικό ιστό». Η συνηθισμένη ύλη εγκαταστάθηκε στις συστάδες για να παράγει αστέρια και γαλαξίες. Η Προσομοίωση Χιλιετίας ταίριαξε στατιστικά με την κατανομή μεγέθους των πραγματικών γαλαξιών και τον τρόπο με τον οποίο οι γαλαξίες είναι διασκορπισμένοι στο διάστημα. Τα αποτελέσματα ενίσχυσαν πολύ την υπόθεση της θεωρίας των κοσμολόγων—η οποία είναι γνωστή ως ΛCDM (προφέρεται "λάμδα CDM").

Ωστόσο, η Προσομοίωση της Χιλιετίας ήταν επίσης περιορισμένη, σημειώνει ο Mark Vogelsberger, αστροφυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στο Κέμπριτζ. Αυτό συμβαίνει επειδή στην πραγματικότητα παρακολουθούσε μόνο την εξέλιξη του ιστού της σκοτεινής ύλης. Η συνηθισμένη ύλη και οι γαλαξίες εισήχθησαν στον ιστό μόνο στο τέλος, χρησιμοποιώντας ad hoc κανόνες που ελήφθησαν από πιο λεπτομερείς προσομοιώσεις μεμονωμένων γαλαξιών. Μια τέτοια προσέγγιση είναι γνωστή ως ημιαναλυτική μοντελοποίηση. Τώρα, ο Vogelsberger και οι συνεργάτες του έχουν κάνει ένα βήμα πέρα ​​από αυτήν την προσέγγιση, αναπτύσσοντας μια προσομοίωση που ενσωματώνει συνηθισμένη ύλη, με τη μορφή αερίου υδρογόνου, από την αρχή, όπως αναφέρουν διαδικτυακά σήμερα στο Nature .

Γνωστή ως Illustris, η νέα προσομοίωση παρακολουθεί την εξέλιξη ενός κυβικού κομματιού του σύμπαντος μεγέθους περίπου 350 εκατομμυρίων ετών φωτός σε μια πλευρά, το οποίο καταλήγει να περιέχει 41.416 γαλαξίες. Το μοντέλο είναι τόσο απαιτητικό που θα χρειαστούν 2000 χρόνια για να λειτουργήσει σε έναν μόνο επιτραπέζιο υπολογιστή. Η διαφορά μεταξύ του Illustris και του προκατόχου του λάμπει στο animation του Vogelsberger και των συνεργατών του από τη νέα προσομοίωση. Ενώ το Millennium δείχνει μόνο έναν σχετικά ήρεμο κοσμικό ιστό, το Illustris αφθονεί με εκρήξεις:εκρήξεις θερμού αερίου που προέρχονται από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στις καρδιές των γαλαξιών. Τέτοιες εκροές είναι ζωτικής σημασίας για τον σχηματισμό γαλαξιών, καθώς μπορούν να διώξουν αέριο υδρογόνο από έναν γαλαξία για να επιβραδύνουν ή να σταματήσουν το σχηματισμό άστρων.

Για να δείξουν ότι η νέα προσομοίωση αναπαράγει το σύμπαν όπως το ξέρουμε, ο Vogelsberger και οι συνεργάτες του δείχνουν ότι μπορεί να αναπαράγει μια σειρά από βασικά παρατηρήσιμα στοιχεία, όπως η αφθονία στοιχείων βαρύτερων από το ήλιο στους γαλαξίες και τα διαγαλαξιακά νέφη αερίων. "Το συμπέρασμα είναι ότι πιστεύουμε ότι έχουμε μια αρκετά καλή κατανόηση του σχηματισμού γαλαξιών και επίσης ότι το ΛCDM είναι βασικά σωστό", λέει ο Vogelsberger.

Το Illustris είναι η πρώτη προσομοίωση που είναι αρκετά μεγάλη για να μοντελοποιήσει ένα αντιπροσωπευτικό έμπλαστρο ολόκληρου του σύμπαντος αλλά αρκετά λεπτομερής για να παρακολουθεί μεμονωμένους γαλαξίες, λέει ο Simon White, κοσμολόγος στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής Max Planck στο Garching της Γερμανίας, ο οποίος εργάστηκε επίσης στην Προσομοίωση Millennium . "Είναι ο συνδυασμός αυτών των δύο πραγμάτων που είναι νέος", λέει.

Ωστόσο, ο Joel Primack, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz, υποστηρίζει ότι οι προγραμματιστές έχουν υπερπουλήσει το νέο έργο. Αν και το Illustris κάνει ένα σημαντικό βήμα διαμορφώνοντας το αέριο σε μεγάλες κλίμακες, εξακολουθεί να μην έχει την ικανότητα να μοντελοποιήσει άμεσα, ας πούμε, τις ίδιες τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, λέει. Έτσι, εξακολουθεί να χρησιμοποιεί ημιαναλυτικούς κανόνες για να εξηγήσει τέτοιες λεπτομέρειες, λέει. «Οι άνθρωποι που δεν είναι στο χωράφι διαβάζουν τη διαφημιστική εκστρατεία και παραπλανούνται ώστε να πιστεύουν ότι αυτό που κάνουν είναι επαναστατικό και ότι οι άνθρωποι που δεν το κάνουν χάνουν το σκάφος», λέει ο Primack. "Και αυτό είναι απλώς λάθος."

Τελικά, η νέα προσομοίωση μπορεί να κριθεί από τη χρησιμότητά της. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να παρακολουθήσει την εξέλιξη συγκεκριμένων τύπων αντικειμένων μέσω του κοσμικού χρόνου ή για να κάνει προβλέψεις σχετικά με το τι θα μπορούσαν να δουν οι παρατηρητές όταν τελικά κοιτάξουν πίσω και μετρήσουν τους πρώτους γαλαξίες, λέει ο Frenk του Durham. Εκεί η προσομοίωση αποτυγχάνει για να ταιριάζει με τα δεδομένα ότι θα είναι πιο γόνιμη, σημειώνει η Marla Geha, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale. Για παράδειγμα, ο Illustris φαίνεται να προτείνει ότι τα αστέρια σε μικρότερους γαλαξίες σχηματίζονται νωρίτερα από ό,τι δείχνουν οι παρατηρήσεις. «Υπάρχει κάτι στον σχηματισμό άστρων που δεν λειτουργεί σε ακραίες συνθήκες, επομένως δεν μπορεί να είναι ολόκληρη η ιστορία», λέει. "Αυτό είναι ενδιαφέρον να το δεις."

(Βίντεο:Συνεργασία Illustris)