Flamingo, de meest nauwkeurige simulatie van sterrenstelsels, bevestigt een probleem in de standaardkosmologie

Iets meer dan een eeuw geleden, in 1917, stelde Albert Einstein het eerste kosmologische model voor, gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie, en in de jaren twintig en dertig verlegde Georges Lemaître zijn grenzen, anticiperend op veel van de dingen die vandaag de dag deel uitmaken van het werk dat hebben betrekking op het model Standaardkosmologie met donkere materie en energie, en gaat zelfs zo ver dat ze ideeën voorspellen die Hawking en John Wheeler, om er maar een paar te noemen, zouden onderzoeken in de kwantumkosmologie.

Dankzij observatieprogramma’s die mogelijk worden gemaakt door instrumenten als de Planck-satelliet en, meer recentelijk, Euclides, beschikken we tegenwoordig over een enorme en groeiende stroom waarnemingen van sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en de grote structuren die ze samen vormen. Om informatie te verkrijgen over de fysica achter deze structuren, en over hun ontstaan ​​zelf, is het noodzakelijk om krachtige simulaties uit te voeren met behulp van supercomputers en, meer recentelijk, hulpmiddelen voor kunstmatige intelligentie.

Het idee is om te zien wat numerieke simulaties op basis van bepaalde vergelijkingen en observaties voorspellen om te zien of deze simulaties aspecten van het universum van vandaag voorspellen en hoe deze aspecten sinds de oerknal zijn veranderd. Hierdoor kunnen geavanceerde vergelijkingen en theorieën worden getest om het waarneembare universum te begrijpen, bijvoorbeeld de aard van donkere materie of donkere energie, waarbij computers berekeningen kunnen uitvoeren die de menselijke geest niet kan uitvoeren, vooral met niet-lineaire vergelijkingen.

De afgelopen tientallen jaren zijn er steeds geavanceerdere simulaties uitgevoerd die gebruik maken van de vooruitgang in de omvang van de berekeningen die kunnen worden bereikt, zoals de beroemde Millennium-simulatie. Veel van deze beroemde simulaties zijn mogelijk gemaakt door het Virgo Consortium for Cosmic Supercomputer Simulations, opgericht in 1994. Het groeide snel uit tot een internationale groep wetenschappers in het Verenigd Koninkrijk, Duitsland, Luo, Canada, de Verenigde Staten en Japan.

adelaar (Evolutie en assemblage van sterrenstelsels en hun omgevingen) is een simulatie gericht op het begrijpen hoe sterrenstelsels ontstaan ​​en evolueren. Deze video toonde enkele fragmenten van enkele jaren geleden, gebaseerd op computerberekeningen die de vorming van structuren modelleerden met een kosmisch volume van 100 megaparsec aan een kant (meer dan 300 miljoen lichtjaar). Het was groot genoeg om 10.000 sterrenstelsels ter grootte van de Melkweg of groter te bevatten, waardoor vergelijking mogelijk was met de hele dierentuin van sterrenstelsels die bijvoorbeeld in het Hubble Deep Field zichtbaar zijn. De simulatie begint terwijl het universum nog steeds zeer uniform is (er zijn nog geen sterren of sterrenstelsels gevormd) met kosmologische parameters die worden aangestuurd door Planck-satellietwaarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond. De kritische factoren zijn de dichtheid van donkere materie – waardoor structuren kunnen groeien, baryonische materie – het gas waaruit sterren worden gevormd, en de kosmologische constante – die verantwoordelijk is voor kosmische versnelling. © Universiteit van Durham

Problematische simulaties alleen met donkere materie

Vooral Maagd had toegang tot supercomputerbronnen van wereldklasse in Groot-Brittannië en aan de Universiteit van Durham, die talloze simulaties uitvoerde, zoals die genaamd Eagle (Evolutie en assemblage van sterrenstelsels en hun omgevingen). Vandaag hebben onderzoekers van deze universiteit, samen met collega’s elders, aangekondigd dat ze als onderdeel van een internationaal team van astronomen verder zijn gegaan dan eerdere simulaties door Flamingo uit te voeren, beschouwd als de grootste kosmische computersimulatie ooit, waarbij niet alleen donkere materie maar ook gewoon materiaal werd gebruikt. .

Flamingo Het is dus een nieuwe avatar voor Unie van de Maagd Wat deze keer de afkorting in het Engels betekent Grootschalige structurele simulaties over het hele water met behulp van kaarten van de hele hemel om waarnemingen van de volgende generatie te interpreteren. Het gebruikt 300 miljard ‘deeltjes’, de massa van een klein, kubusvormig sterrenstelsel met een doorsnede van tien miljard lichtjaar.

Laten we de context uitleggen. Volgens het standaard kosmologische model zouden de concentraties van donkere materie aan het einde van de oerknal snel zijn ingestort, wat de ineenstorting van de gewone baryonische materie met zich mee zou brengen waaruit sterren, planeten en natuurlijk ons ​​eigen lichaam bestaan. We kunnen alleen informatie verkrijgen over de concentraties van gewone materie op het moment van de emissie van fossiele straling, wat ons dus initiële voorwaarden geeft voor het berekenen van de evolutie van de materie die in de loop van de tijd tot op de dag van vandaag sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels zal vormen voor 13,8 miljard mensen. . Jaren.

Aan het begin van de jaren tachtig was de rekenkracht van computers op het gebied van de kosmologie nog primitief, en aangezien gewone materie in de massa wordt gedomineerd door donkere materie, en dus door de zwaartekracht ervan, doen we alsof kosmische structuren uitsluitend gevormd uit donkere materie, wat veel gemakkelijker en minder rekenintensief is om numeriek te simuleren dan wanneer er rekening zou moeten worden gehouden met gewone materie.

Ondanks de grote successen worden we vervolgens geconfronteerd met verschillende grote mislukkingen in de voorspellingen van computermodellen die zijn gebaseerd op betrouwbaardere modellen voor donkere materie. De belangrijkste mislukking is ongetwijfeld het onvermogen om veel dwergstelsels rond grote sterrenstelsels zoals de Melkweg of Andromeda te voorspellen. In feite zijn het er maar weinig.

Realistische simulatie van supernova’s en zwarte gaten

De meest conservatieve oplossing voor dit probleem, dat wil zeggen, zonder het Standaardmodel ter discussie te stellen, bestaat uit het uitvoeren van complexere simulaties, waarbij rekening wordt gehouden met supernova-explosies en de aanwas van gewone materie door gigantische zwarte gaten, zonder uiteraard de zwaartekracht te vergeten. Verdeling van gewone materie In feite kunnen supernova-explosies door het uitstoten van gewone materie uit sterrenstelsels of winden die worden gegenereerd door de straling van materieverslindende zwarte gaten de groei van sterrenstelsels, vooral dwergstelsels, veranderen door gas in het intergalactische medium te stoten. Meer in het algemeen kan de drukkracht van het uitgestoten gas ook weerstand bieden aan de zwaartekrachtcontractie die sterrenstelsels vormt.

De afgelopen tien jaar zullen we, dankzij de vooruitgang in de rekenkracht, echt in staat zijn realistischere simulaties uit te voeren van de vorming en evolutie van sterrenstelsels, waarbij rekening wordt gehouden met gewone materie. De Flamingo-simulatie verschijnt vandaag de dag als het nieuwste hoogtepunt van deze pogingen om de evolutie van het waarneembare universum te reproduceren, van de oerknal tot vandaag. Dit heeft geleid tot de publicatie van drie artikelen in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society : De ene beschrijft de methoden, de andere presenteert de simulaties en de derde onderzoekt de mate waarin de simulaties de grootschalige structuur van het universum en clusters van sterrenstelsels reproduceren, zoals die momenteel worden onderzocht door de James Webb Space Telescope.

Door enkele basisparameters van het standaard kosmologische model met koude donkere materie in de simulatie te veranderen, kunnen we proberen de parameters te vinden die het beste bij de waarnemingen passen. In het bijzonder hebben kosmologen de sterkte van galactische winden, de massa van neutrino’s en belangrijke kosmologische parameters gevarieerd.

We kennen de massa’s van gewone neutrino’s nog niet zo goed, maar we weten wel dat neutrino’s via deze massa’s de grootte van dwergstelsels beïnvloeden, wat een manier is om te begrijpen waarom er zo weinig zijn. Omdat ze sinds het einde van de oerknal snel bewegen zonder interactie met andere deeltjes van gewone materie, spreken we van kosmische neutrino’s als een klein onderdeel van hete materie (hoe sneller de gasdeeltjes gemiddeld bewegen, hoe heter het gas en vice versa). omgekeerd).

Na de Hubble-soort werd S8 gespannen met clusters van sterrenstelsels

We weten al een tijdje dat er in de kosmologie een spanning bestaat tussen de manier waarop we de snelheid van de uitdijing van de ruimte meten met gegevens van fossiele straling, ongeveer 380.000 jaar na de oerknal, en metingen met behulp van supernova’s gedurende enkele miljarden jaren. Ofwel is er ergens een verborgen fout, ofwel moet er nieuwe natuurkunde worden geïntroduceerd.

Concreet gaat het om een ​​meningsverschil in de schattingen van de zogenaamde Hubble-Lameter-constante, en de Angelsaksen spreken in dit verband over de Hubble-spanning. Ze praten ook steeds vaker over de stress in S8.

Waar gaat het over?

Opnieuw biedt de studie van fossiele straling enige waarde voor een soort maatstaf voor het belang van clusters van sterrenstelsels, of, preciezer gezegd, voor fluctuaties in de dichtheid van materie die voortkomen uit fluctuaties in temperatuur en polarisatie van fossiele straling. Het moet evolueren om vandaag de dag na meer dan 10 miljard jaar een bepaald aantal clusters voor een gegeven volume-eenheid te verkrijgen.

Maar net als bij dwergstelsels is dat aantal niet aanwezig, omdat ze in een paar miljard jaar minder zijn ontstaan ​​dan verwacht. De dichtheid van clusters van sterrenstelsels gedurende de afgelopen miljard jaar kan worden bestudeerd door te observeren in welke mate deze clusters zwakke zwaartekrachtlenseffecten produceren.

De simulaties uitgevoerd met Flamingo houden geen rekening met de lagere huidige waarde van de waargenomen S8-parameter vergeleken met die afgeleid uit het standaard kosmologische model. Ook hier zou dit kunnen wijzen op nieuwe fysica, vooral op het niveau van donkere materiedeeltjes die met elkaar kunnen interageren volgens nog onbekende krachten, maar waarvoor we al voorstellen hebben gedaan voor theoretische modellen binnen het raamwerk van bepaalde deeltjestheorieën. . De fysica gaat verder dan het Standaardmodel en omvat de hoge-energiefysica die al in beschouwing is genomen.