Medzi študentmi astronómie existuje starý vtip o otázke na záverečnej skúške na hodine kozmológie. Vyzerá to takto: „Popíšte vesmír a uveďte tri príklady.“ Tím výskumníkov v Nemecku, Spojených štátoch a Spojenom kráľovstve urobil obrovský skok smerom k poskytnutiu aspoň jedného presného príkladu toho, ako vesmír vyzerá.

Použili na to súbor simulácií s názvom „MillenniumTNG“. Sleduje akumuláciu galaxií a kozmickú štruktúru v priebehu času. Poskytuje tiež nový pohľad na štandardný kozmologický model vesmíru. Je to najnovšia v kozmologických simuláciách a spája také ambiciózne snahy ako projekt AbacusSummit pred dvoma rokmi.

Tento simulačný projekt zohľadňuje čo najviac aspektov kozmického vývoja. Využíva simulácie bežnej (baryonickej) hmoty (čo je to, čo vidíme vo vesmíre). Zahŕňa tiež temnú hmotu, neutrína a temnú energiu, ktorých mechanizmy na formovanie vesmíru sú stále nejasné. Toto je dlhá požiadavka.

Simulácia vesmíru

Viac ako 120 000 počítačových centier v SuperMUC-NG v Nemecku začalo pracovať na údajoch pre MillenniumTNG. Nasledoval vznik asi sto miliónov galaxií v oblasti vesmíru s priemerom asi 2 400 miliónov svetelných rokov. Potom Cosma8 v Durhame začala pracovať na výpočte vesmíru väčšieho ako je veľkosť, ale naplneného biliónom simulovaných častíc temnej hmoty a ďalších 10 miliárd sledujúcich pôsobenie masívnych neutrín.

Výsledkom tohto počtu škvŕn bola simulovaná oblasť vesmíru, ktorá odráža zloženie a rozloženie galaxií. Veľkosť bola dostatočne veľká na to, aby ju kozmológovia mohli použiť na extrapoláciu predpokladov o celom vesmíre a jeho histórii. Môžu ho použiť aj na hľadanie „trhlín“ v štandardnom kozmologickom modeli vesmíru.

Kozmologický model a predpoveď

Kozmológovia majú tento základný model, ktorý navrhujú na vysvetlenie vývoja vesmíru. Znie to takto: vesmír má rôzne druhy hmoty. Existuje obyčajná baryonická hmota, z ktorej sa skladáme my všetci, hviezdy, planéty a galaxie. Je to len necelých 5 % „vecí“ vesmíru. Zvyšok je temná hmota a temná energia.

Kozmologická komunita nazýva tento zvláštny súbor kozmických podmienok modelom „studenej lambda temnej hmoty“ (LCDM, skrátene). V skutočnosti veľmi dobre opisuje vesmír. Existujú však určité nezrovnalosti. Práve to by mala pomôcť vyriešiť simulácia. Model čerpá z údajov z veľkého množstva rôznych zdrojov, vrátane kozmického mikrovlnného žiarenia do „kozmickej siete“, kde sú galaxie usporiadané pozdĺž spletitej siete vlákien temnej hmoty.

Stále chýba dobré pochopenie toho, čo presne temná hmota je. A pre temnú energiu je to výzva. A astrofyzici a kozmológovia sa snažia lepšie pochopiť LCDM a existenciu dvoch veľkých neznámych. To si od astronómov vyžaduje množstvo nových citlivých pozorovaní. Na druhej strane mince potrebujú aj podrobnejšie predpovede toho, čo vlastne model LCDM naznačuje. Je to veľká výzva a to je to, čo poháňa veľké simulácie MillenniumTNG. Ak kozmológovia dokážu úspešne simulovať vesmír, môžu tieto simulácie použiť na to, aby pomohli pochopiť, čo sa deje „v reálnom živote“. To zahŕňa vlastnosti galaxií v modernom aj veľmi ranom vesmíre.

Pochopenie a predpovedanie trendov galaxií vo vesmíre pomocou MillenniumTNG

Simulácie MillenniumTNG nadväzujú na predchádzajúce simulačné projekty s názvom „Millennium“ a „IllustrisTNG“. Táto novšia skupina poskytuje nástroj na poukázanie na niektoré medzery v ich chápaní vecí, ako je vývoj a tvary galaxií (alebo morfológia).

Astronómovia už dlho vedia o niečom, čo sa nazýva „vnútorné galaktické zarovnanie“. Toto je v podstate tendencia galaxií orientovať svoje tvary podobnými smermi, z dôvodov, ktorým nikto úplne nerozumie.

Ukazuje sa, že slabá gravitačná šošovka ovplyvňuje to, ako vidíme zarovnanie galaxií. Simulácie MilleniumTNG by mohli astronómom umožniť merať takéto zarovnania v „reálnom svete“ pomocou simulovaných zarovnaní. Podľa členky tímu Ana Maria Delgado je to obrovský krok vpred. „Možno, že naše určenie vnútorného zarovnania smerov galaxií môže pomôcť vyriešiť súčasný nesúlad medzi amplitúdou hmoty zhlukov odvodenou zo slabej šošovky a kozmického mikrovlnného pozadia,“ povedala.

znejúca minulosť

Rovnako ako v iných oblastiach kozmológie, skupina MillenniumTNG skúma veľmi mladý vesmír prostredníctvom simulácií. Toto je čas po ére reionizácie, keď už prvé hviezdy jasne žiarili a prvé galaxie sa vyvíjali. Niektoré z týchto raných galaxií sú veľmi veľké, čo sa zdá byť mimo kontextu mladého vesmíru. Videl ich vesmírny teleskop Jamesa Webba (JWST) a otázkou zostáva: Ako sa stali takými masívnymi v tak krátkom čase po Veľkom tresku?

Zdá sa, že simulácia MillenniumTNG replikuje túto tendenciu niektorých skorých galaxií exponenciálne rásť v krátkom čase. Typicky by to bolo asi 500 miliónov rokov po veľkom tresku. Prečo sú teda tieto galaxie také obrovské? Astronóm Rahul Kannan ponúka niekoľko nápadov na vysvetlenie. „Možno bola tvorba hviezd efektívnejšia krátko po Veľkom tresku v porovnaní s neskoršími časmi, alebo sa masívne hviezdy mohli v tom čase formovať vyššou rýchlosťou, vďaka čomu sú tieto galaxie nezvyčajne jasné,“ vysvetlil.

Teraz, keď sa JWST pozerá na skoršie časy kozmickej histórie, bude zaujímavé zistiť, či simulácie predpovedajú, čo nájde. Keenan naznačuje, že medzi skutočným vesmírom a simuláciou môže byť priepasť. Ak sa tak stane, bude to pre kozmológov predstavovať ďalšiu mätúcu otázku o najstarších obdobiach kozmickej histórie.

Budúcnosť simulovaného a skutočného prieskumu vesmíru

Nasledujúce desaťročia kozmologických štúdií budú mať veľký úžitok zo simulácií, ako je Millenium TNG. Simulácie sú však len také dobré, aké dobré sú údaje, ktoré dostávajú, a predpoklady, ktoré vychádzajú z ich vedeckých tímov. MillenniumTNG ťaží z rozsiahlych databáz informácií, ako aj zo schopností superpočítačov spracovávať svoje údaje. Podľa hlavného výskumníka tímu, profesora Volkera Sprengela z Inštitútu Maxa Plancka, sú simulácie, ktoré vygenerovali viac ako 3 petabajty údajov, hlavným prínosom pre kozmológiu.

„MillenniumTNG kombinuje nedávny pokrok v simulácii formovania galaxií s oblasťou rozsiahlej kozmickej štruktúry, čo umožňuje lepšie teoretické modelovanie spojenia galaxií s chrbticou temnej hmoty vesmíru,“ povedal. „To by mohlo byť veľmi užitočné pri presadzovaní kľúčových otázok v kozmológii, ako je napríklad to, ako môže byť hmotnosť neutrín lepšie obmedzená rozsiahlymi údajmi o štruktúre.“

Jeho predpovede sa určite zhodujú s cieľmi projektu MillenniumTNG Project. Tímy naďalej stavajú na úspechu projektu IllustrisTNG, ktorý okrem simulácie tisícročia vytvorenej iba v temnej hmote, ktorá bola vytvorená takmer pred desiatimi rokmi, prevádzkoval hydrodynamické simulácie. Simulácie tímu boli použité na štúdium množstva rôznych galaktických subjektov. Zahŕňajú agregáciu hmoty a halo galaxií, kopy galaxií a ich distribúciu, modely formovania galaxií, kopy galaxií v ranom vesmíre, tieto vnútorné zarovnania galaxií a ďalšie súvisiace témy. Hoci nemusia byť schopní úplne definovať vesmír (a uviesť tri príklady), tím MillenniumTNG robí obrovské pokroky v pochopení jeho pôvodu a vývoja.

Pre viac informácií

Hľadanie trhlín v štandardnom kozmologickom modeli
Webová stránka projektu MillenniumTNG