Naukowcy stworzyli symulację Wszechświata

Naukowcy stworzyli jak dotąd największą i najdokładniejszą wirtualną reprezentację Wszechświata. Międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez Uniwersytet w Helsinkach wykorzystał symulacje superkomputerowe do odtworzenia całej ewolucji kosmosu, od Wielkiego Wybuchu do czasów obecnych.

Symulacja o nazwie SIBELIUS-DARK jest częścią projektu „Simulations Beyond the Local Universe” (SIBELIUS) i jest jak dotąd największą i najbardziej wszechstronną symulacją Wszechświata. Podczas obliczeń zespół skrupulatnie porównywał wirtualny Wszechświat z danymi obserwacyjnymi, aby znaleźć właściwe lokalizacje i właściwości wirtualnych analogii znanych struktur.

Jednym z odkryć było stwierdzenie, że nasz lokalny fragment Wszechświata może być nieco niezwykły, ponieważ symulacja przewidywała średnio mniejszą liczbę galaktyk niż jest obserwowana. Chociaż poziom tego zagęszczenia nie jest uważany za wyzwanie dla standardowego modelu kosmologii, może mieć konsekwencje dla tego, jak interpretujemy informacje pochodzące z przeglądów galaktyk.

Symulacja SIBELIUS-DARK obejmuje obszar do 600 milionów lat świetlnych od Ziemi i jest reprezentowana przez ponad 130 miliardów symulowanych „cząstek”, co wymaga wielu tysięcy komputerów pracujących wspólnie przez kilka tygodni i wytwarzających duże ilości danych. Symulację przeprowadzono na DiRAC COSmology MAchine (COSMA) obsługiwanej przez Institute for Computational Cosmology na Durham University.

Wykonane przez naukowców symulacje kosmologiczne wykorzystywały odpowiednie równania fizyczne, aby opisać, jak ciemna materia i kosmiczny gaz ewoluują przez całe życie Wszechświata. Ciemna materia, która jest hipotetyczną formą materii, która, jak sądzi się, odpowiada za dużą ilość całej materii we Wszechświecie, z początku łączy się w małe grudki, zwane halo, a otaczający ją gaz jest przyciągany grawitacyjnie w kierunku tych grudek, ostatecznie dzieląc się na gwiazdy, tworząc galaktyki. Z biegiem czasu halo rosną na tyle duże, że mogą pomieścić galaktyki takie jak nasza Droga Mleczna.

Kadry z symulacji SIBELIUS-DARK

Na ilustracji: Symulacja SIBELIUS-DARK. Po lewej stronie zaznaczone są struktury odpowiadające gromadom galaktyk w gwiazdozbiorach Panny (Virgo) i Pieca (Fornax). Po prawej stronie pokazane jest centrum symulacji, w którym znajdują się struktyru odpowiadające Drodze Mlecznej (MW) i naszej najbliższej masywnej sąsiadce, galaktyce Andromedy (M31). Kadry od lewej do prawej pokazują obraz Wszechświata z rosnącą dokładnością: kadr po lewej pokazuje obszar o wielkości 50 Mpc, kadr środkowy, 15 Mpc, a kard po prawej, 5 Mpc Źródło: dr Stuart McAlpine

W ciągu ostatnich 20 lat kosmolodzy opracowali tzw. „standardowy model” kosmologii – czyli model „zimnej ciemnej materii” – który wyjaśnia mnóstwo obserwowanych danych astronomicznych, w tym liczbę i rozkład przestrzenny galaktyk, które obserwujemy dzisiaj wokół nas. Podczas symulacji wirtualnego wszechświata złożonego z zimnej ciemnej materii większość kosmologów podąża za „typową” lub losową strukturą, która jest podobna do naszego obserwowanego Wszechświata, ale tylko w sensie statystycznym. W symulacji SIBELIUS-DARK podejście jest inne. Dzięki zastosowaniu zaawansowanych algorytmów komputerowych generatywnych symulacje są ograniczone tak, aby odtwarzały nasz specyficzny obszar Wszechświata.

Oznacza to, że w symulacji odtwarzane są znajome struktury w naszym Lokalnym Wszechświecie, takie jak gromady galaktyk w Pannie, Warkoczu i Perseuszu, „Wielki Mur” i „Lokalna Pustka” – nasze kosmiczne środowisko. W centrum symulacji znajduje się para galaktyk, która jest wirtualną odpowiedniczką naszej galaktyki, Drogi Mlecznej, i naszej bliskiej masywnej sąsiadki, Andromedy.

Położenie Lokalnej Pustki we Wszechświecie

Na ilustracji: Schemat położenia różnych struktur w lokalnym Wszechświecie. Źródło: NASA, R. Brent Tully (University of Hawaii) i in.

Przedstawiona powyżej mapa, rozciągająca się z boku na ponad 600 milionów lat świetlnych, pokazuje, że nasza Droga Mleczna (Milky Way) znajduje się na skraju Gromady Galaktyk w Pannie (Virgo), która jest połączona z Wielkim Atraktorem (Great Attractor) – jeszcze większą grupą galaktyk. W pobliżu znajduje się również masywna gromada w Warkoczu Bereniki (Coma) i rozległa supergromada Perseusz-Ryby (Perseus-Pisces). I odwrotnie, jesteśmy również na skraju ogromnego obszaru prawie pustego od galaktyk, znanego jako Lokalna Pustka (Local Void). Odpychający nacisk Lokalnej Pustki w połączeniu z przyciąganiem grawitacyjnym w kierunku zwiększonej gęstości galaktyk po drugiej stronie nieba wyjaśnia część tajemniczo dużej prędkości, jaką ma nasza Galaktyka w stosunku do kosmicznego mikrofalowego tła.

Aby samemu zbadać lokalny wszechświat, określony przez Cosmicflows-3, zapraszamy do powiększania i obracania się wokół tej interaktywnej wizualizacji, w której orbity galaktyk, grupy galaktyk i gromady galaktyk obliczone metodą NAM (Numerical Action Method) nakładają się na obszary jednakowych gęstości Lokalnej Pustki. Drogowskaz jest zakotwiczony w obecnej lokalizacji Drogi Mlecznej.

Film obrazujący Lokalną Pustkę, na obrzeżach której znajduje się nasza Galaktyka, Droga Mleczna, oraz położenie innych znanych nam struktur można zobaczyć na tej animacji.

Fakt, że jesteśmy w stanie odtworzyć te znajome struktury, zapewnia imponujące wsparcie dla standardowego modelu zimnej ciemnej materii i potwierdza, że jesteśmy na dobrej drodze, aby zrozumieć ewolucję całego Wszechświata. Dzięki temu jesteśmy o krok bliżej zrozumienia natury całego kosmosu. Projekt ten stanowi ważny pomost między dziesięcioleciami teorii a obserwacjami astronomicznymi.

Więcej informacji: