|
Космологическое компьютерное моделирование
|
|
|
|
Международная группа астрономов провела, как полагают, крупнейшее в истории космологическое компьютерное моделирование, отслеживая не только темную, но и обычную материю (например, планеты, звезды и галактики), что дает нам представление о том, как могла развиваться наша Вселенная. Моделирование FLAMINGO рассчитывает эволюцию всех компонентов Вселенной — обычной материи, темной материи и темной энергии — в соответствии с законами физики. По мере моделирования появляются виртуальные галактики и скопления галактик. В Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества были опубликованы три статьи: одна описывает методы, другая представляет моделирование, а третья исследует, насколько хорошо моделирование воспроизводит крупномасштабную структуру Вселенной.
|
|
|
|
Такие объекты, как космический телескоп «Евклид», недавно запущенный Европейским космическим агентством (ЕКА), и JWST НАСА, собирают впечатляющие объемы данных о галактиках, квазарах и звездах. Моделирование, такое как «ФЛАМИНГО», играет ключевую роль в научной интерпретации данных, связывая предсказания теорий нашей Вселенной с наблюдаемыми данными. Согласно теории, свойства всей нашей Вселенной задаются несколькими числами, называемыми «космологическими параметрами» (в простейшей версии теории их шесть). Значения этих параметров можно очень точно измерить различными способами. Один из этих методов основан на свойствах космического микроволнового фона (CMB) — слабого фонового свечения, оставшегося от ранней Вселенной. Однако эти значения не соответствуют значениям, измеренным другими методами, основанными на том, как гравитационная сила галактик искривляет свет (линзирование). Эти «напряжения» могут сигнализировать о кончине стандартной модели космологии — модели холодной темной материи.
|
|
|
Компьютерное моделирование может выявить причину этой напряженности, поскольку оно может информировать ученых о возможных отклонениях (систематических ошибках) в измерениях. Если ни один из этих факторов не окажется достаточным для объяснения напряженности, теория окажется под угрозой. До сих пор компьютерное моделирование, используемое для сравнения с наблюдениями, отслеживало только холодную темную материю. «Хотя темная материя доминирует над гравитацией, вкладом обычной материи больше нельзя пренебрегать», — говорит руководитель исследования Йооп Шайе (Лейденский университет), — «поскольку этот вклад может быть аналогичен отклонениям между моделями и наблюдениями». Первые результаты показывают, что и нейтрино, и обычная материя необходимы для точных предсказаний, но не устраняют противоречий между различными космологическими наблюдениями.
|
|
|
|
Моделирование, которое также отслеживает обычную барионную материю (также известную как барионная материя), гораздо сложнее и требует гораздо большей вычислительной мощности. Это связано с тем, что обычная материя, составляющая лишь шестнадцать процентов всей материи во Вселенной, ощущает не только гравитацию, но и давление газа, что может привести к выбрасыванию материи из галактик активными черными дырами и сверхновыми далеко в межгалактическое пространство. Сила этих межгалактических ветров зависит от взрывов в межзвездной среде и ее очень трудно предсказать. Кроме того, важен вклад нейтрино, субатомных частиц очень маленькой, но точно не известной массы, но их движение до сих пор не моделировалось.
|
|
|
|
Астрономы завершили серию компьютерных симуляций, отслеживающих формирование структур в темной материи, обычной материи и нейтрино. Кандидат наук. Студент Рой Кугель (Лейденский университет) объясняет: «Эффект галактических ветров был откалиброван с помощью машинного обучения путем сравнения предсказаний множества различных моделей относительно небольших объемов с наблюдаемыми массами галактик и распределением газа в скоплениях галактик. " Исследователи смоделировали модель, которая лучше всего описывает калибровочные наблюдения, с помощью суперкомпьютера в разных космических объемах и с разным разрешением. Кроме того, они варьировали параметры модели, включая силу галактических ветров, массу нейтрино и космологические параметры при моделировании немного меньших, но все же больших объемов. Самая крупная симуляция использует 300 миллиардов элементов разрешения (частиц с массой небольшой галактики) в кубическом объёме с краями в десять миллиардов световых лет.
|
|
|
|
Считается, что это крупнейшее когда-либо завершенное космологическое компьютерное моделирование с использованием обычной материи. Матье Шаллер из Лейденского университета сказал: «Чтобы сделать это моделирование возможным, мы разработали новый код SWIFT, который эффективно распределяет вычислительную работу между 30 тысячами процессоров». Моделирование «ФЛАМИНГО» открывает новое виртуальное окно во Вселенную, которое поможет максимально эффективно использовать космологические наблюдения. Кроме того, большой объем (виртуальных) данных создает возможности для новых теоретических открытий и тестирования новых методов анализа данных, включая машинное обучение. Используя машинное обучение, астрономы смогут делать прогнозы для случайных виртуальных вселенных. Сравнивая их с крупномасштабными структурными наблюдениями, они могут измерить значения космологических параметров. Более того, они могут измерить соответствующие неопределенности путем сравнения с наблюдениями, которые ограничивают влияние галактических ветров.
|
|
|
|
Источник
|
