Astrofüüsikute meeskond on äsja kehtestanud superarvuti 8 miljonit ainulaadset universumit ja lasknud neil areneda vaid täppidest vanadeni. Nende eesmärk? Naelutada rolli, mida nähtamatu aine, mida nimetatakse tumeaineks, meie universumi elus alates Suurest Paugust mängis ja mida see meie saatuse jaoks tähendab.
Pärast avastust, et meie universum koosneb 1960. aastate lõpus enamasti tumedast ainest, on teadlased spekuleerinud selle rolli üle galaktikate moodustamisel ja nende võime sünnitada aja jooksul uusi tähti.
Suure Paugu teooria kohaselt hakkasid üsna kaua pärast universumi sündi nähtamatud ja tabamatud ained, mille füüsikud on tummise ainet nimetanud ja raskusjõu mõjul massiivsetesse pilvedesse, mida nimetatakse tumeaine halogeenideks. Halogeenide suuruse kasvades tõmbasid nad universumit läbiva hõreda vesiniku gaasi kokku, et moodustada tähed ja galaktikad, mida me täna näeme. Selles teoorias toimib tumeaine galaktikate selgroogina, dikteerides, kuidas need aja jooksul moodustuvad, sulanduvad ja arenevad.
Et paremini mõista, kuidas tumeaine seda universumi ajalugu kujundas, lõid Arizona ülikooli astronoomia abiprofessor Peter Behroozi ja tema meeskond kooli superarvuti abil oma universumid. Arvuti 2000 protsessorit töötasid ilma pausita kolme nädala jooksul, et simuleerida enam kui 8 miljonit unikaalset universumit. Iga universum kuulas individuaalselt ainulaadset reeglistikku, mis aitas teadlastel mõista tumeaine ja galaktikate arengu vahelist seost.
"Arvutis saame luua palju erinevaid universumeid ja võrrelda neid tegelikuga ning see võimaldab meil järeldada, millised reeglid viivad selleni, mida me näeme," ütles Behroozi avalduses.
Kui varasemad simulatsioonid on keskendunud üksikute galaktikate modelleerimisele või piiratud parameetritega universumite genereerimisele, on UniverseMachine selle ulatusest esimene. Programm lõi pidevalt miljoneid universumeid, millest igaüks sisaldas 12 miljonit galaktikat, ja kõigil lasti areneda reaalse universumi peaaegu kogu ajaloo vältel, alates 400 miljonist aastast pärast Suurt Pauku kuni tänapäevani.
"Suur küsimus on:" Kuidas galaktikad tekivad? "" Ütles Stanfordi ülikooli füüsika ja astrofüüsika professor Risa Wechsler. "Selle uuringu tõeliselt lahe asi on see, et saame kasutada kõiki andmeid, mis meil galaktikate evolutsiooni kohta on - galaktikate arvu, mitu tähte neil on ja kuidas need tähed moodustavad - ja kokku panna see terviklik pilt viimasest 13 miljardit aastat universumist. "
Meie universumi või isegi galaktika koopia loomine nõuaks seletamatul hulgal arvutusvõimsust. Nii kitsendasid Behroozi ja tema kolleegid oma tähelepanu galaktikate kahele peamisele omadusele: nende ühendatud tähtede mass ja kiirus, millega nad uusi sünnitavad.
"Üksiku galaktika simuleerimine nõuab 10 kuni 48 arvutitoimingut," selgitas Behroozi, viidates oktillioonioperatsioonile või 1-le, millele järgneb 48 nulli. "Kõik Maal asuvad arvutid ei saaks seda saja aasta pärast teha. Nii et ühe galaktika simuleerimiseks, rääkimata 12 miljonist, pidime seda tegema teisiti."
Kuna arvutiprogramm tärkab uusi universumeid, annab see oletuse, kuidas galaktika tähtede moodustumise kiirus on seotud selle vanusega, varasemate vastasmõjudega teiste galaktikatega ja tumeda aine hulgaga selle halodes. Seejärel võrdleb ta iga universumit reaalsete vaatlustega, viies füüsilised parameetrid iga iteratsiooniga kokku, et see vastaks tegelikkusele paremini. Lõpptulemus on universum, mis on peaaegu identne meie omaga.
Wechsleri sõnul näitasid nende tulemused, et galaktikate tähtede sünnitamise kiirus on tihedalt seotud nende tumeda aine halogeenide massiga. Kõige kõrgemad tähtede moodustumise kiirused olid galaktikatel, mille tumedate ainete halogeenmassid on kõige sarnasemad meie oma Linnuteega. Ta selgitas, et tähekujundust pärsib massilisemates galaktikates arvukalt musti auke
Nende tähelepanekud seavad kahtluse alla ka pikaajalised veendumused, et tumeaine lämmatab tähtede moodustumise varases universumis.
"Kuna me läheme tagasi universumisse varem ja varem, siis eeldame, et tumeaine on tihedam ja seetõttu muutub gaas üha kuumemaks. See on tähtede moodustumise jaoks halb, nii et me arvasime, et paljud galaktikad on varakult universum oleks pidanud juba ammu lõpetama tähtede moodustamise, "ütles Behroozi. "Kuid me leidsime vastupidist: vastupidiselt ootustele moodustuvad teatud suurusega galaktikad suurema tõenäosusega tähed."
Nüüd plaanib meeskond laiendada UniverseMachine'i, et katsetada rohkem võimalusi, kuidas tume aine võib galaktikate omadusi mõjutada, sealhulgas nende kuju muutumine, nende mustade aukude mass ja kui sageli lähevad nende tähed supernoovasse.
"Minu jaoks on kõige põnevam see, et meil on nüüd mudel, kus saame hakata kõiki neid küsimusi esitama toimivas raamistikus," sõnas Wechsler. "Meil on mudel, mis on arvutuslikult piisavalt odav, et me saame sisuliselt kogu universumi välja arvutada umbes sekundiga. Siis võime endale lubada seda teha miljonid korrad ja uurida kogu parameetrite ruumi."
Uurimisrühm avaldas oma tulemused ajakirja Monthly Notices of Royal Astronomical Society septembrinumbris.
