Den största simuleringen av universum har skapats: den kommer att hjälpa oss att förstå evolutionen av kosmos

Frågan om frågor har alltid varit densamma för människor: hur skapades vår värld? Hur uppstod materia och allt i universum? Ett nytt projekt kan hjälpa astronomer att komma närmare svaret.

Vad är materian i universum?

Oxford Academic

Materian i universum är en grundläggande komponent i dess struktur. Det finns olika former, från subatomära partiklar till stjärnor och galaxer, vilket skapar en stor mångfald av strukturer och fenomen. Kemiska grundämnen, sammansatta av atomer, utgör grunden för materia. Genom processer som kärnfusion i stjärnor kombineras lättare grundämnen för att bilda tyngre. Människor har alltid försökt upptäcka hur universum skapades: bortom vår planet finns ett gränslöst utrymme som på något sätt måste ha haft ett ursprung. Det sägs att även om vi försöker föreställa oss universums viddhet, skulle det vara omöjligt för oss att göra det. Den är alldeles för stor för att en människa skulle kunna visualisera den.

Materia samlas i stora gravitationskluster och bildar sedan galaxer som inkluderar planeter, stjärnor och andra himlakroppar. Den interagerar också med gravitationsfältet och är involverad i kosmologiska fenomen som universums expansion, som enligt observationer kontinuerligt expanderar, med avlägsna galaxer som rör sig bort från varandra.
Mörk materia, å andra sidan, är ännu inte helt förstådd men bidrar väsentligt till universums totala massa, även om den inte sänder ut, absorberar eller reflekterar ljus. I praktiken är därför materia i universum extremt mångsidig, från subatomära partiklar till enorma galaktiska strukturer, och dess dynamik är avgörande för att förstå evolutionen och strukturen i själva universum.

Men även om vi kan beundra otroligt många galaxer och stjärnor, vet vi fortfarande inte svaret på en urgammal fråga: hur mycket materia finns det i universum?

Projektet FLAMINGO, den största simuleringen i universum

Oxford Academic

Experter, när de försöker kvantifiera svaret, håller inte med. Observation av kosmos skapar tvivel om hur materia faktiskt är fördelad i universum och hur. En ny simulering kan dock vara användbar för att ge en mer exakt utvärdering: utgående från spåret av alla de element som universum består av, inklusive vanlig materia, mörk materia och mörk energi, observera hur dessa utvecklas under fysikens lagar. I reproduktionsbilderna kan man digitalt observera galaxerna som drivs av det som definieras som det kosmiska nätet, det vill säga den största strukturen i hela universum, uppbyggd av filament som består av normal och mörk materia.

VIRGO-konsortiets FLAMINGO-projekt (Full-hydro-Large-scale-Structure Simulations with All-sky mapping for the Interpretation of Next Generation Observations), implementerat via superdator vid Durham University, Storbritannien, är den största kosmologska simulering som någonsin genomförts. I representationen observeras 300 miljarder partiklar fördelade i en kubikvolym av 9,1 miljarder ljusår.

Matthieu Schaller, från Leiden University förkarar: "För att göra denna simulering möjlig har vi utvecklat en ny kod, SWIFT, som effektivt distribuerar beräkningsarbetet över 30 tusen CPU:er." I bakgrunden observerar vi den nuvarande fördelningen av mörk materia, med tre inzoomningar på den mest imponerande galaxhopen, som detekterar gasens temperatur, materiens densitet och en röntgenövervakning.

Den största simuleringen av universum inkluderar vanlig materia

Freepik

För att få en fullständig simulering av universum är det därför nödvändigt att inkludera inte bara den baryoniska materien, därför planeter, galaxer och stjärnor, utan också den mörka materien, som endast kan upptäckas genom dess gravitationsinflytande på baryonmaterian, och den mörka energin. När detta är gjort måste interaktionen mellan delarna genom gravitation, mörk materias reaktion på ompositionering av baryoner, vanlig materias reaktion på gastryck och andra processer också beaktas. Sedan, genom att ta del av all denna information och infoga den i simuleringen, föreslår FLAMINGO en skalreproduktion av universum och jämför de olika förutsägelserna och teorierna med dess virtuella modell. När de angivna kosmologiska parametrarna inte sammanfaller med de hypotesiska observationerna genereras det som definieras som "spänningar": en av dessa kallas spänning8 och handlar om egenskaperna hos den kosmiska bakgrunden, det vill säga det ljus som fortfarande är synligt från universums början, Big Bang. Mätningarna gav olika värden, som astronomerna ännu inte har förstått eller löst.

Joop Schaye, professor vid Leiden University i Nederländerna och medförfattare till FLAMINGO-projektet, som presenteras i tre olika studier, säger: "Även om mörk materia dominerar gravitationen, kan bidraget från vanlig materia inte längre försummas.".

Simuleringar är i slutändan ett exceptionellt verktyg för att tillåta forskare att granska sina modeller och anpassa dem till den verkliga fördelningen av universum, lösa spänningar och få allt mer exakt och detaljerad information om hur allt uppstod.