Przejdź do treści

Nowa symulacja: rozwój bardzo wczesnego Wszechświata

Wyniki symulacji formowania się i ewolucji gromad galaktyk. Źródło: Claudio Dalla Vecchia

Model był w stanie odwzorować strukturę ośrodka międzygalaktycznego w pierwszych sekundach po Wielkim Wybuchu.                   

Obserwacje zdają się wskazywać na to, że we Wszechświecie dominuje ciemna materia i ciemna energia. Materia, którą możemy zobaczyć, stanowi zaledwie 5% całej jego masy. Z kolei ciemna materia, niewidoczna dla naszych oczu, to około 27% kosmosu. Pozostałe jego 68% składa się z ciemnej energii, która jest odpowiedzialna nie tylko za rozszerzanie się Wszechświata, ale i za przyspieszanie tego procesu.

Standardowy model kosmologiczny zakłada, że struktura Wszechświata w największych skalach obserwacji zależy od wzajemnego oddziaływania ze sobą tych powyższych składników. Obecne, nowoczesne symulacje numeryczne zaczynają nam z kolei dostarczać coraz bardziej realistycznych modeli tych procesów. Wciąż pozostaje jednak duża liczba niewiadomych. Celem omawianych badań było lepsze zrozumienie wielkoskalowej struktury Wszechświata oraz uzyskanie nowych danych o jego ewolucji w czasie – poprzez zarówno modelowanie, jak i obserwacje. Zastosowane metody polegały na odtworzeniu obserwowanego kosmosu poprzez szczegółową ocenę różnych, bardzo złożonych powiązań statystycznych pomiędzy trójwymiarowym rozkładem ciemnej materii a materią widzialną, taką jak galaktyki i gaz międzygalaktyczny.

Nowa symulacja komputerowa była w stanie odtworzyć kilka pierwszych sekund po Wielkim Wybuchu. Koncentrowano się w niej głównie na czymś, co naukowcy nazywają ośrodkiem międzygalaktycznym, czyli – w uproszczeniu – gazem i pyłem zalegającym pomiędzy galaktykami. Zespół kierowany przez specjalistów z Instytutu Astrofizyki Wysp Kanaryjskich (IAC) wykorzystał do jej opracowania techniki uczenia maszynowego, czyli algorytmy, dzięki którym sam komputer jest zawczasu szkolony do automatycznego rozpoznawania pewnych wzorców w danych.

Wyniki działania algorytmu pozwoliły naukowcom odwzorować przestrzenne rozkłady ciemnej materii, skupisk neutralnego wodoru i innych składników kosmosu budujących wielkoskalową strukturę Wszechświata. W szczególności badania umożliwiły odtworzenie z dużą dokładnością tak zwanego  trójwymiarowego pola lasów Lyman-alfa, czyli wysoce charakterystycznych wzorów obecnych w liniach widmowych galaktyk i kwazarów. W terminologii astronomicznej las Lyman-alfa to seria linii absorpcyjnych widoczna w widmach odległych galaktyk i kwazarów, powstających w wyniku przejść elektronowych typu Lyman-alfa w atomach neutralnego wodoru: gdy światło odległej galaktyki przechodzi przez wiele znajdujących się na jego drodze obłoków gazu o różnych przesunięciach ku czerwieni, powstają liczne linie absorpcyjne.

 

Na ilustracji: Widmo kwazara z tzw. absorberami Lymana, ulegającymi ciągłemu przesunięciu ku czerwieni na skutek ekspansji kosmicznej i tworzącymi "las" linii. Źródło: Yuan-Sen Ting
Na ilustracji: Widmo kwazara z tzw. absorberami Lymana, ulegającymi ciągłemu przesunięciu ku czerwieni na skutek ekspansji kosmicznej i tworzącymi las linii. Źródło: Yuan-Sen Ting.


Wzorce linii absorpcyjnych w widmach galaktyk pomogły zespołowi w określeniu, gdzie znajdują się takie obłoki wodoru. Lokalizacja ich jest z kolei dobrym wskaźnikiem odległości, jeśli tylko – co oczywiście zakładamy – kosmos nieustannie się rozszerza. Badania obłoków dają również pewne informacje o składzie samego ośrodka międzygalaktycznego złożonego z gazu i pyłu.

Symulacje komputerowe tego rodzaju nie są nowością w astrofizyce. Budowane w ich ramach wirtualne wszechświaty służą jako poligony doświadczalne do szczegółowych badań i testów kosmologicznych. Symulacje takie są jednak zazwyczaj długotrwałe i bardzo kosztowne obliczeniowo: nawet współczesne możliwości superkomputerów pozwalają nam badać tymi sposobami jedynie niewielkie wycinki kosmosu. Kod wykorzystanej tu symulacji o nazwie Hydro-BAM został zaprojektowany tak, by uwzględniać prawdopodobieństwa, uczenie maszynowe i kosmologię, czyli historię Wszechświata. Zdaniem zespołu jego algorytm umożliwia uzyskanie bardzo dokładnych przewidywań w ciągu zaledwie kilkudziesięciu sekund.

– Prawdziwy przełom polega na naszym zrozumieniu, że powiązania między ilościami gazu międzygalaktycznego, ciemnej materii i neutralnego wodoru, które próbowaliśmy wymodelować, są wyraźnie zorganizowane w sposób hierarchiczny – podsumowuje Francesco Sinigaglia (Uniwersytet w La Laguna w Hiszpanii, IAC i Uniwersytet w Padwie, główny autor omawianych badań).


Czytaj więcej:


Źródło: Space.com

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

Na ilustracji: Wyniki symulacji formowania się i ewolucji gromad galaktyk. Źródło: Claudio Dalla Vecchia.

Reklama