天体物理学者のチームがスーパーコンピュータ内に800万のユニークなユニバースを生み出し、それらを単純なものから古い奇妙なものに進化させました。彼らの目標は？ビッグバン以降、私たちの宇宙でダークマターと呼ばれる目に見えない物質が果たした役割とそれが私たちの運命に意味することを明らかにすること。
1960年代後半に私たちの宇宙のほとんどが暗黒物質で構成されていることを発見した後、科学者たちは銀河の形成におけるその役割と、時間の経過とともに新しい星を誕生させる能力について推測しました。
ビッグバン理論によれば、宇宙が誕生して間もなく、物理学者は見えないとらえどころのない物質物理学者が暗黒物質を吹き飛ばし、重力によって暗黒物質ハローと呼ばれる巨大な雲に凝集し始めました。ハローのサイズが大きくなるにつれて、それらは宇宙に浸透するまばらな水素ガスを引き寄せて集まり、今日私たちが見る星と銀河を形成します。この理論では、暗黒物質は銀河のバックボーンとして機能し、銀河がどのように形成、融合、進化するかを決定します。
ダークマターが宇宙のこの歴史をどのように形作ったかをよりよく理解するために、アリゾナ大学の天文学の助教授であるピーターベールージと彼のチームは、学校のスーパーコンピューターを使用して独自の宇宙を作成しました。コンピュータの2,000プロセッサは3週間にわたって休止することなく動作し、800万を超える固有のユニバースをシミュレートしました。各宇宙は独自に一連の独自のルールに従い、研究者が暗黒物質と銀河の進化の関係を理解するのに役立ちました。
「コンピューター上で、多くの異なるユニバースを作成し、それらを実際のユニバースと比較することができます。これにより、どのルールが私たちが目にするものにつながるかを推測できます」とBehroozi氏は声明で述べています。
これまでのシミュレーションでは、単一の銀河のモデリングまたは限られたパラメーターを使用した模擬宇宙の生成に重点が置かれていましたが、UniverseMachineはその最初のスコープです。このプログラムは継続的に数百万の宇宙を作成し、それぞれに1200万個の銀河が含まれ、それぞれがビッグバンから4億年後から現在まで、現実の宇宙のほぼすべての歴史にわたって進化することができました。
「大きな問題は、「銀河はどのようにして形成されるのか」ということです」とスタンフォード大学の物理学および天体物理学の教授である研究研究者リサ・ウェクスラーは述べた。 「この研究の本当に素晴らしいところは、銀河の進化について持っているすべてのデータ（銀河の数、星の数、それらの星を形成する方法）を使用して、それを最後の包括的な画像にまとめることができることです。宇宙の130億年。」
私たちの宇宙、または銀河のレプリカを作成するには、不可解な量の計算能力が必要になります。そのため、ベールージと彼の同僚は、それらの焦点を銀河の2つの主要な特性に絞りました。それらの星の結合質量とそれらが新しい星を産む速度です。
「単一の銀河をシミュレートするには、10〜48回の演算が必要です」とBehrooziは、10億の演算、または1の後に48のゼロを参照して説明しました。 「地球上のすべてのコンピューターを組み合わせて100年でこれを行うことはできませんでした。したがって、1千万はもちろんのこと、単一の銀河をシミュレートするには、これを異なる方法で行う必要がありました。
コンピュータプログラムが新しい宇宙を生み出すと、銀河の星形成率がその年齢、他の銀河との過去の相互作用、およびそのハロー内の暗黒物質の量にどのように関係するかを推測します。次に、各宇宙を実際の観測値と比較し、現実によく一致するように、反復ごとに物理パラメータを微調整します。最終結果は、私たちのものとほとんど同じ宇宙です。
ウェクスラー氏によると、彼らの結果は、銀河が星を生み出す割合が暗黒物質ハローの質量と密接に関連していることを示しました。私たち自身の天の川に最も類似した暗黒物質ハロー質量を持つ銀河は、星形成率が最高でした。彼女は、星形成が豊富なブラックホールによってより大規模な銀河で抑圧されていると説明しました
彼らの観察はまた、暗黒物質が初期宇宙の星形成を抑制したという長年の信念に挑戦しました。
「宇宙のどんどん前に戻ると、暗黒物質がより密度が高くなり、そのためガスがどんどん高温になると予想していました。これは星形成に悪いため、初期の多くの銀河は宇宙はずっと前に星の形成を止めるべきだった」とBehrooziは言った。 「しかし、私たちは反対のことを発見しました。所与のサイズの銀河は、予想に反して、より高い速度で星を形成する可能性が高かったのです。」
現在、チームはUniverseMachineを拡張して、暗黒物質が銀河の特性にどのように影響するかをテストします。これには、形状の進化、ブラックホールの質量、星が超新星に行く頻度などが含まれます。
「私にとって最もエキサイティングなことは、機能するフレームワークでこれらすべての質問をし始めることができるモデルができたことです」とウェクスラー氏は語った。 「計算的に十分安価で、ほぼ1秒で宇宙全体を計算できるモデルがあります。それから何百万回も実行してすべてのパラメーター空間を探索する余裕があります。」
研究グループはその結果をジャーナル、Royal Astronomical SocietyのMonthly Noticesの9月号に発表しました。
