Astrofizikų komanda ką tik sukūrė 8 milijonus unikalių visatų superkompiuterio viduje ir leido jiems vystytis nuo tiesioginių prie senų geezerių. Jų tikslas? Norėdami užmiršti vaidmenį, kurį mūsų visatos gyvenime nuo didžiojo sprogimo vaidino nematoma medžiaga, vadinama tamsiąja materija, ir ką ji reiškia mūsų likimui.
Sužinoję, kad septintojo dešimtmečio pabaigoje mūsų visata daugiausia sudaryta iš tamsiosios materijos, mokslininkai spėliojo apie jos vaidmenį formuojant galaktikas ir jų sugebėjimą ilgainiui pagimdyti naujas žvaigždes.
Remiantis Didžiojo sprogimo teorija, neilgai trukus po Visatos atsiradimo, nematoma ir nemandagi medžiaga, kurią fizikai praminė tamsiąja materija, sunkio jėgos dėka pradėjo kauptis į masyvius debesis, vadinamus tamsiosios medžiagos halogenais. Augant halogenų dydžiui, jie patraukė mažai visatos skverbiančias vandenilio dujas, kad susiburtų ir sudarytų žvaigždes ir galaktikas, kurias matome šiandien. Šioje teorijoje tamsioji materija veikia kaip galaktikų stuburas, diktuojanti, kaip jos formuojasi, susilieja ir vystosi bėgant laikui.
Norėdami geriau suprasti, kaip tamsiosios materijos formavo šią visatos istoriją, Arizonos universiteto astronomijos docentas Peteris Behroozi su komanda sukūrė savo visatas naudodamas mokyklos superkompiuterį. 2000 kompiuterio procesorių dirbo be pertraukos per tris savaites, kad imituotų daugiau nei 8 milijonus unikalių visatų. Kiekviena visata atskirai laikėsi unikalių taisyklių rinkinio, kuris padėjo tyrėjams suprasti ryšį tarp tamsiosios materijos ir galaktikų evoliucijos.
„Kompiuteryje mes galime sukurti daugybę skirtingų visatų ir palyginti jas su realia. Tai leidžia mums nuspręsti, kurios taisyklės veda prie tos, kurią matome“, - teigiama Behroozi pranešime.
Ankstesni modeliavimai sutelkė dėmesį į atskirų galaktikų modeliavimą arba pavyzdinių visatų generavimą su ribotais parametrais, tačiau „UniverseMachine“ yra pirmoji jos taikymo sritis. Programa nuolat kūrė milijonus visatų, kurių kiekvienoje yra 12 milijonų galaktikų, ir kiekvienai buvo leista evoliucionuoti per visą realiosios visatos istoriją nuo 400 milijonų metų po Didžiojo sprogimo iki šių dienų.
„Didelis klausimas yra:„ Kaip formuojasi galaktikos? “, - sakė tyrimo tyrinėtoja Risa Wechsler, fizikos ir astrofizikos profesorė, Stanfordo universitetas. „Tikrai šaunus dalykas šiame tyrime yra tas, kad mes galime panaudoti visus mūsų turimus duomenis apie galaktikų evoliuciją - galaktikų skaičių, kiek žvaigždžių jie turi ir kaip jie sudaro šias žvaigždes - ir sudėti tai į išsamų paskutiniųjų paveikslėlį 13 milijardų Visatos metų “.
Norėdami sukurti mūsų visatos ar net galaktikos repliką, prireiktų nepaaiškinamai daug skaičiavimo galios. Taigi Behroozi ir jo kolegos sutelkė dėmesį į dvi pagrindines galaktikų savybes: jų bendrą žvaigždžių masę ir greitį, kuriuo jos pagimdo naujas.
„Imituoti vieną galaktiką reikia nuo 10 iki 48 skaičiavimo operacijų“, - aiškino Behroozi, nurodydamas oktiliono operaciją arba 1, po kurio eina 48 nuliai. "Visi Žemėje esantys kompiuteriai negalėjo to padaryti per šimtą metų. Taigi, norėdami imituoti vieną galaktiką, jau nekalbant apie 12 milijonų, mes turėjome tai padaryti kitaip."
Kai kompiuterinė programa skleidžia naujas visatas, ji leidžia spėlioti, kaip galaktikos žvaigždžių formavimosi greitis yra susijęs su jos amžiumi, ankstesne sąveika su kitomis galaktikomis ir tamsiosios medžiagos kiekiu jos halogenoje. Tada palyginama kiekviena visata su realiais stebėjimais, tikslinant fizinius parametrus su kiekviena iteracija, kad ji geriau atitiktų tikrovę. Galutinis rezultatas yra visata, beveik identiška mūsų pačių.
Anot Wechslerio, jų rezultatai parodė, kad greitis, kuriuo galaktikos pagimdo žvaigždes, yra glaudžiai susijęs su jų tamsiosios medžiagos halogenų mase. Galaktikos su tamsiosios medžiagos halogeno masėmis, labiausiai panašiomis į mūsų pačių Paukščių Taką, turėjo didžiausią žvaigždžių susidarymo greitį. Ji paaiškino, kad labiau masyviose galaktikose žvaigždžių formavimąsi slopina daugybė juodgalvių
Jų pastebėjimai taip pat užginčijo seniai laikomus įsitikinimus, kad tamsiosios medžiagos slopina žvaigždžių formavimąsi ankstyvojoje visatoje.
"Grįždami anksčiau ir anksčiau į Visatą, mes tikimės, kad tamsiosios medžiagos bus tankesnės, todėl dujos bus vis karštesnės. Tai kenkia žvaigždžių formavimuisi, todėl mes manėme, kad daugelis galaktikų ankstyvoje pradžioje Visata jau seniai turėjo nustoti formuoti žvaigždes “, - sakė Behroozi. "Tačiau mes nustatėme priešingai: tam tikro dydžio galaktikos, priešingai nei tikėtasi, greičiausiai sudarys žvaigždes didesniu greičiu".
Dabar komanda planuoja išplėsti „UniverseMachine“, norėdama išbandyti daugiau būdų, kaip tamsiosios medžiagos gali paveikti galaktikų savybes, įskaitant tai, kaip vystosi jų formos, juodųjų skylių masė ir kaip dažnai jų žvaigždės eina į supernovas.
„Man labiausiai jaudina tai, kad dabar turime modelį, kuriame galime pradėti užduoti visus šiuos klausimus sistemoje, kuri veikia“, - teigė Wechsleris. "Mes turime modelį, kuris yra pakankamai nebrangus skaičiavimais, kad iš esmės maždaug per sekundę galime apskaičiuoti visą visatą. Tada mes galime sau leisti tai padaryti milijonus kartų ir ištirti visą parametrų erdvę."
Tyrimų grupė paskelbė jų rezultatus rugsėjo mėnesio žurnale „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“.
