一个国际天文学家团队进行了被认为是有史以来最大规模的宇宙学计算机模拟,不仅跟踪暗物质,还跟踪普通物质(如行星、恒星和星系),让我们一睹宇宙可能如何演化。
FLAMINGO模拟根据物理定律计算宇宙所有组成部分(普通物质、暗物质和暗能量)的演化。随着模拟的进行,虚拟星系和星系团就会出现。《皇家天文学会月刊》上发表了三篇论文:一篇描述了方法,另一篇介绍了模拟,第三篇研究了模拟再现宇宙大尺度结构的效果。
欧洲航天局(ESA)和NASA的JWST最近发射的欧几里得太空望远镜等设施收集了大量有关星系、类星体和恒星的数据。FLAMINGO等模拟通过将宇宙理论的预测与观测到的数据联系起来,在数据的科学解释中发挥着关键作用。
根据该理论,整个宇宙的属性是由一些称为“宇宙学参数”的数字决定的(该理论的最简单版本中有六个)。这些参数的值可以通过多种方式非常精确地测量。
其中一种方法依赖于宇宙微波背景(CMB)的特性,这是早期宇宙留下的微弱背景辉光。然而,这些值与其他依赖于星系引力弯曲光线方式(透镜效应)的技术测量的值并不相符。这些“紧张局势”可能标志着宇宙学标准模型——冷暗物质模型的消亡。
计算机模拟也许能够揭示这些紧张局势的原因,因为它们可以告知科学家测量中可能存在的偏差(系统误差)。如果这些都不足以解释紧张局势,那么该理论将遇到真正的麻烦。
到目前为止,用于与观测结果进行比较的计算机模拟仅跟踪冷暗物质。“虽然暗物质在引力中占主导地位,但普通物质的贡献不能再被忽视,”研究负责人乔普·谢耶(莱顿大学)说,“因为这种贡献可能类似于模型和观测结果之间的偏差。”
第一个结果表明,中微子和普通物质对于做出准确的预测都至关重要,但并不能消除不同宇宙学观测之间的紧张关系。
跟踪普通重子物质(也称为重子物质)的模拟更具挑战性,并且需要更多的计算能力。这是因为普通物质(仅占宇宙中所有物质的百分之十六)不仅感受到重力,而且感受到气压,这可能导致物质被活跃的黑洞和超新星吹出星系,进入遥远的星系间空间。
这些星际风的强度取决于星际介质中的爆炸,并且很难预测。除此之外,中微子(质量非常小但未知质量的亚原子粒子)的贡献也很重要,但迄今为止它们的运动尚未被模拟。
天文学家已经完成了一系列跟踪暗物质、普通物质和中微子结构形成的计算机模拟。博士学生RoiKugel(莱顿大学)解释说:“通过将相对较小体积的许多不同模拟的预测与观测到的星系质量以及星系团中气体的分布进行比较,使用机器学习来校准银河风的影响。”
研究人员用超级计算机在不同的宇宙体积和不同的分辨率下模拟了最能描述校准观测的模型。此外,他们还改变了模型的参数,包括银河风的强度、中微子的质量以及稍小但仍然很大的体积模拟中的宇宙学参数。
最大的模拟在边缘长达100亿光年的立方体中使用了3000亿个分辨率元素(质量相当于一个小星系的粒子)。这被认为是迄今为止完成的最大的普通物质宇宙学计算机模拟。莱顿大学的MatthieuSchaller表示:“为了使这种模拟成为可能,我们开发了一种新代码SWIFT,它可以有效地将计算工作分配到3万个CPU上。”
火烈鸟模拟打开了一个关于宇宙的新虚拟窗口,这将有助于充分利用宇宙学观测。此外,大量(虚拟)数据为新的理论发现和测试新的数据分析技术(包括机器学习)创造了机会。
利用机器学习,天文学家可以对随机虚拟宇宙进行预测。通过将这些与大规模结构观测进行比较,他们可以测量宇宙学参数的值。此外,他们可以通过与限制银河风影响的观测结果进行比较来测量相应的不确定性。