Як ми сюди потрапили? Не тільки ми, люди, шкребемося по блідо-блакитній крапці, мчимо навколо зірки, мчимо навколо надмасивної чорної діри, мчимо крізь місцеве скупчення. Але як ця точка потрапила сюди, і зірка, і чорна діра, і скупчення?
Як незбагненно величезне все це потрапило туди, де воно є зараз, з немислимого ніщо мільярди років тому?
Ось воно, насправді, питання з питань. І за допомогою найбільшого на сьогодні проєкту такого роду астрономи намагаються знайти відповіді – проводячи комп’ютерне моделювання всього Всесвіту.
Вони називаються симуляції FLAMINGO (Повномасштабне моделювання великомасштабних структур з картуванням всього неба для інтерпретації спостережень наступного покоління), які виконуються на суперкомп’ютері в центрі DiRAC у Великобританії.
Ці симуляції є інтенсивними. Вони призначені для розрахунку еволюції всіх відомих компонентів Всесвіту.
Це означає звичайну матерію: зірки, галактики, все, до чого ми можемо доторкнутися (це може вбити нас, але ми можемо); темну матерію – загадкову масу, що створює дивну додаткову гравітацію; і темну енергію – таємничу силу, що прискорює розширення Всесвіту.
Найбільша з цих симуляцій налічує 300 мільярдів частинок з масою невеликої галактики в кубічному об’ємі простору з ребрами 10 мільярдів світлових років.
“Щоб зробити цю симуляцію можливою, ми розробили новий код SWIFT, який ефективно розподіляє обчислювальну роботу між 30 тисячами процесорів”, – пояснює астроном Матьє Шаллер з Лейденського університету.
Фрагмент найбільшої симуляції, а вставка збільшує деякі з її особливостей. (Джош Борроу, команда FLAMINGO і консорціум Virgo)
Початкові результати були опубліковані в трьох статтях: перша описує методи, друга представляє симуляції, а третя містить результати, що описують великомасштабну структуру Всесвіту в холодній темній матерії.
Зокрема, у третій статті було зроблено спробу дослідити так звану напругу сигма 8, або S8. Це базується на вимірюванні Всесвіту, яке називається космічним мікрохвильовим фоном – слабким мікрохвильовим випромінюванням, яке заповнює Всесвіт з епохи відразу після Великого вибуху. Аналіз цього випромінювання дозволяє припустити, що на сьогоднішній день Всесвіт мав би бути більш скупченим, ніж він є зараз.
Оскільки ця напруженість становить серйозний виклик для моделі холодної темної матерії Всесвіту, згідно з якою мало б відбутися згущення, дослідники сподіваються, що FLAMINGO може дати деякі відповіді.
Поки що їм не вдалося усунути напруженість – це було б величезною новиною для космології – але вони дещо знають про проведення симуляцій: для точних прогнозів необхідні як звичайна матерія, так і нейтрино.
“Хоча темна матерія домінує у гравітації, внеском звичайної матерії більше не можна нехтувати, – каже керівник дослідження і астроном Юп Шає з Лейденського університету, – оскільки цей внесок може бути подібним до відхилень між моделями і спостереженнями”.
Моделювання, яке включає нормальну матерію, є більш складним у виконанні. Відомо, що темна матерія взаємодіє із Всесвітом лише гравітаційно; нормальна матерія також взаємодіє з тиском, таким як радіаційний тиск і галактичні вітри, які є непередбачуваними і складними для моделювання. Для цього потрібно набагато більше обчислювальних потужностей, тому нам доведеться ще трохи почекати на відповіді про напруженість S8 від FLAMINGO.
Однак дослідники провели серію симуляцій, які відстежують формування структури Всесвіту з темної матерії, нормальної матерії та нейтрино, варіюючи параметри всіх трьох, щоб побачити, як це впливає на кінцевий результат.
“Вплив галактичних вітрів був відкалібрований за допомогою машинного навчання, шляхом порівняння прогнозів багатьох різних симуляцій відносно невеликих об’ємів зі спостережуваними масами галактик і розподілом газу в скупченнях галактик”, – пояснює астроном Рой Кугель з Лейденського університету.
Команда ще не зробила дані FLAMINGO доступними для громадськості, оскільки вони мають розмір у кілька петабайтів. Усім, хто цікавиться, пропонується подати ввічливий запит до відповідного автора.
Дослідження було опубліковано в Щомісячних повідомленнях Королівського астрономічного товариства. З трьома статтями можна ознайомитися за посиланнями: тут, тут та тут.