O echipă de astrofizicieni tocmai a născut 8 milioane de universuri unice în interiorul unui supercomputer și le-a lăsat să evolueze de la doar toți la geezers vechi. Scopul lor? Pentru a reduce rolul pe care o substanță invizibilă numită materie întunecată l-a jucat în viața universului nostru încă de la Big Bang și ce înseamnă pentru soarta noastră.
După ce au descoperit că universul nostru este format în mare parte din materie întunecată la sfârșitul anilor 1960, oamenii de știință au speculat cu privire la rolul său în formarea galaxiilor și a capacității lor de a da naștere unor stele noi de-a lungul timpului.
Conform teoriei Big Bang, nu după mult timp de la nașterea universului, o fizică fizică invizibilă și evazivă a numit materia întunecată a început să se aglomereze prin forța gravitației în nori masivi, numiți haloi de materie întunecată. Pe măsură ce halourile au crescut în dimensiune, au atras gazul de hidrogen care pătrunde în univers pentru a se uni și a forma stelele și galaxiile pe care le vedem astăzi. În această teorie, materia întunecată acționează ca coloana vertebrală a galaxiilor, dictând modul în care se formează, se îmbină și evoluează în timp.
Pentru a înțelege mai bine modul în care materia întunecată a modelat această istorie a universului, Peter Behroozi, profesor asistent de astronomie la Universitatea din Arizona, și echipa sa a creat propriile universuri folosind supercomputerul școlii. 2.000 de procesoare ale calculatorului au funcționat fără pauză pe o perioadă de trei săptămâni pentru a simula mai mult de 8 milioane de universuri unice. Fiecare univers a respectat individual un set unic de reguli pentru a ajuta cercetătorii să înțeleagă relația dintre materia întunecată și evoluția galaxiilor.
„Pe computer, putem crea multe universuri diferite și le putem compara cu cel real și asta ne permite să deducem ce reguli duc la cel pe care îl vedem”, a spus Behroozi într-un comunicat.
În timp ce simulările anterioare s-au concentrat pe modelarea galaxiilor unice sau pe generarea de universuri simulatoare cu parametri limitați, UniverseMachine este primul din domeniul său de aplicare. Programul a creat continuu milioane de universuri, fiecare conținând 12 milioane de galaxii și fiecare a permis să evolueze pe aproape întreaga istorie a universului real de la 400 de milioane de ani după Big Bang până în zilele noastre.
„Marea întrebare este:„ Cum se formează galaxiile? ”, A spus cercetătoarea de studiu Risa Wechsler, profesor de fizică și astrofizică la Universitatea Stanford. "Lucrul cu adevărat interesant al acestui studiu este că putem folosi toate datele pe care le avem despre evoluția galaxiilor - numărul de galaxii, câte stele au și cum formează acele stele - și să le punem împreună într-o imagine cuprinzătoare a ultimei 13 miliarde de ani de univers ".
Crearea unei replici a universului nostru sau chiar a unei galaxii ar necesita o cantitate inexplicabilă de putere de calcul. Așa că Behroozi și colegii săi și-au restrâns atenția către două proprietăți cheie ale galaxiilor: masa lor combinată de stele și ritmul cu care dau naștere la noi.
"Simularea unei singure galaxii necesită 10 până la a 48-a operațiuni de calcul", a explicat Behroozi, referindu-se la o operație de miliarde sau la 1 urmată de 48 de zerouri. "Toate computerele combinate de pe Pământ nu au putut face acest lucru într-o sută de ani. Deci, pentru a simula o singură galaxie, cu atât mai puțin de 12 milioane, a trebuit să facem asta diferit."
Pe măsură ce programul de calculator generează universuri noi, face o presupunere a modului în care rata galaxiei de formare a stelelor este legată de vârsta sa, de interacțiunile sale anterioare cu alte galaxii și de cantitatea de materie întunecată din halo. Apoi, compară fiecare univers cu observații reale, reglând bine parametrii fizici cu fiecare iterație pentru a se potrivi mai bine cu realitatea. Rezultatul final este un univers aproape identic cu al nostru.
Potrivit lui Wechsler, rezultatele lor au arătat că rata cu care galaxiile dau naștere stelelor este strâns legată de masa halourilor lor de materie întunecată. Galaxiile cu mase halo de materie întunecată, cele mai asemănătoare cu ale noastre, Calea Lactee au avut cele mai mari rate de formare a stelelor. Ea a explicat că formarea stelelor este înăbușită în galaxiile mai masive de o abundență de găuri negre
Observațiile lor au contestat de asemenea credințele îndelungate că materia întunecată a înăbușit formarea stelelor în universul timpuriu.
„Pe măsură ce ne întoarcem mai devreme și mai devreme în univers, ne-am aștepta ca materia întunecată să fie mai densă și, prin urmare, gazul să fie din ce în ce mai cald. universul ar fi trebuit să înceteze să formeze stele cu mult timp în urmă ”, a spus Behroozi. „Dar am găsit contrariul: galaxiile de o anumită dimensiune aveau mai multe șanse să formeze stele la un ritm mai mare, contrar așteptării”.
Acum, echipa intenționează să extindă UniverseMachine pentru a testa mai multe moduri în care materia întunecată ar putea afecta proprietățile galaxiilor, inclusiv modul în care evoluează formele lor, masa găurilor lor negre și cât de des merg stelele lor supernove.
"Pentru mine, cel mai interesant este că avem acum un model în care putem începe să punem toate aceste întrebări într-un cadru care funcționează", a spus Wechsler. "Avem un model care este destul de ieftin din punct de vedere computațional, încât în esență putem calcula un întreg univers în aproximativ o secundă. Atunci ne putem permite să facem asta de milioane de ori și să explorăm tot spațiul parametrilor."
Grupul de cercetare și-a publicat rezultatele în numărul din septembrie al jurnalului lunar Notices of the Royal Astronomical Society.
