Μια ομάδα αστροφυσικιστών έχει δημιουργήσει 8 εκατομμύρια μοναδικά σύμπαντα μέσα σε έναν υπερυπολογιστή και τους επιτρέπει να εξελίσσονται από απλά σε παλιά. Ο στόχος τους; Για να καταλάβουμε το ρόλο που έπαιξε μια αόρατη ουσία που ονομάζεται σκοτεινή ύλη στη ζωή του σύμπαντος μας από τη Μεγάλη Έκρηξη και τι σημαίνει για τη μοίρα μας.
Αφού ανακάλυψε ότι το σύμπαν μας αποτελείται κυρίως από σκοτεινή ύλη στα τέλη της δεκαετίας του 1960, οι επιστήμονες έχουν σκεφθεί για το ρόλο του στο σχηματισμό γαλαξιών και την ικανότητά τους να γεννούν νέα αστέρια με την πάροδο του χρόνου.
Σύμφωνα με τη θεωρία του Big Bang, όχι πολύ καιρό μετά τη γέννηση του σύμπαντος, μια αόρατη και αόριστη ουσία που οι φυσικοί έχουν μεταγλωττίσει η σκοτεινή ύλη άρχισαν να συσσωρεύονται μαζί με τη δύναμη της βαρύτητας σε μαζικά σύννεφα που ονομάζονται φωτοστέφανα σκοτεινής ύλης. Καθώς οι φωτοστέφανοι μεγάλωναν σε μέγεθος, προσέλκυσαν το αραιό αέριο υδρογόνου που διαπερνά το σύμπαν για να συναντηθούν και να σχηματίσουν τα αστέρια και τους γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα. Σε αυτή τη θεωρία, η σκοτεινή ύλη ενεργεί ως ραχοκοκαλιά των γαλαξιών, υπαγορεύοντας τον τρόπο με τον οποίο διαμορφώνονται, συγχωνεύονται και εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου.
Για να καταλάβουμε καλύτερα πώς η σκοτεινή ύλη διαμορφώνει αυτή την ιστορία του σύμπαντος, ο Peter Behroozi, ένας επίκουρος καθηγητής αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, και η ομάδα του δημιούργησαν τα δικά του σύμπαντα χρησιμοποιώντας τον υπερυπολογιστή του σχολείου. Οι 2.000 επεξεργαστές του υπολογιστή δούλευαν χωρίς παύση σε διάστημα τριών εβδομάδων για να προσομοιώσουν περισσότερα από 8 εκατομμύρια μοναδικά σύμπαντα. Κάθε σύμπαν υπακούει ξεχωριστά σε ένα μοναδικό σύνολο κανόνων που βοηθούν τους ερευνητές να κατανοήσουν τη σχέση μεταξύ της σκοτεινής ύλης και της εξέλιξης των γαλαξιών.
"Στον υπολογιστή, μπορούμε να δημιουργήσουμε πολλά διαφορετικά σύμπαντα και να τα συγκρίνουμε με το πραγματικό, και αυτό μας επιτρέπει να συμπεράνουμε ποιοι κανόνες οδηγούν σε αυτό που βλέπουμε", δήλωσε ο Behroozi σε μια δήλωση.
Ενώ οι προηγούμενες προσομοιώσεις έχουν επικεντρωθεί στη μοντελοποίηση μεμονωμένων γαλαξιών ή τη δημιουργία ψεύτικων συμπαντικών με περιορισμένες παραμέτρους, το UniverseMachine είναι το πρώτο του αντικειμένου. Το πρόγραμμα δημιούργησε συνεχώς εκατομμύρια σύμπαντα, το καθένα από τα οποία περιείχε 12 εκατομμύρια γαλαξίες, το καθένα από τα οποία επέτρεψε να εξελιχθεί σχεδόν σε ολόκληρη την ιστορία του πραγματικού σύμπαντος από 400 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη μέχρι σήμερα.
"Το μεγάλο ερώτημα είναι:" Πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες ", δήλωσε η ερευνητής της μελέτης Risa Wechsler, καθηγητής φυσικής και αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. "Το πραγματικά δροσερό πράγμα για αυτή τη μελέτη είναι ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε όλα τα δεδομένα που έχουμε για την εξέλιξη των γαλαξιών - τους αριθμούς των γαλαξιών, τον αριθμό των άστρων που έχουν και τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζουν αυτά τα αστέρια - και τα βάζουμε μαζί σε μια ολοκληρωμένη εικόνα του τελευταίου 13 δισεκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος. "
Η δημιουργία ενός αντιγράφου του σύμπαντος μας, ή ακόμα και ενός γαλαξία, θα απαιτούσε μια ανεξήγητη ποσότητα υπολογιστικής ισχύος. Έτσι, ο Behroozi και οι συνάδελφοί του περιορίστηκαν την εστίασή τους σε δύο βασικές ιδιότητες των γαλαξιών: τη συνδυασμένη μάζα των αστεριών και το ρυθμό με τον οποίο γεννούν νέους.
"Η προσομοίωση ενός ενιαίου γαλαξία απαιτεί 10 έως τις 48η υπολογιστικές λειτουργίες" εξηγεί ο Μπεχρόοζι, αναφερόμενος σε μια λειτουργία octillion, ή 1 ακολουθούμενη από 48 μηδενικά. "Όλοι οι υπολογιστές στη γη δεν μπορούσαν να το κάνουν αυτό σε εκατό χρόνια. Για να προσομοιώσουμε μόνο έναν γαλαξία, πόσο μάλλον 12 εκατομμύρια, έπρεπε να το κάνουμε διαφορετικά".
Καθώς το πρόγραμμα υπολογιστή δημιουργεί νέα σύμπαντα, κάνει μια εικασία για το πώς ο ρυθμός σχηματισμού αστεριών ενός γαλαξία σχετίζεται με την ηλικία του, τις προηγούμενες αλληλεπιδράσεις του με άλλους γαλαξίες και την ποσότητα της σκοτεινής ύλης στο φωτοστέφανο. Στη συνέχεια συγκρίνει κάθε σύμπαν με πραγματικές παρατηρήσεις, ρυθμίζοντας με ακρίβεια τις φυσικές παραμέτρους με κάθε επανάληψη για να ταιριάζει καλύτερα στην πραγματικότητα. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα σύμπαν σχεδόν πανομοιότυπο με το δικό μας.
Σύμφωνα με τον Wechsler, τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι ο ρυθμός με τον οποίο οι γαλαξίες γέννησαν αστέρια συνδέεται στενά με τη μάζα των φωτοσκέψεων σκοτεινής ύλης. Οι γαλαξίες με μαύρες φάλαινες σκοτεινής ύλης, οι οποίες μοιάζουν περισσότερο με τη δική μας Γαλαξία, είχαν τα υψηλότερα ποσοστά σχηματισμού αστεριών. Εξήγησε ότι ο σχηματισμός των αστεριών καταπνίγεται σε πιο μαζικούς γαλαξίες από μια πληθώρα μαύρων οπών
Οι παρατηρήσεις τους αμφισβήτησαν επίσης τις μακροχρόνιες πεποιθήσεις ότι η σκοτεινή ύλη κατέπνιξε το σχηματισμό των αστεριών στο πρώιμο σύμπαν.
«Καθώς θα επιστρέψουμε νωρίτερα και νωρίτερα στο σύμπαν, θα περίμενε κανείς ότι η σκοτεινή ύλη θα είναι πυκνότερη και επομένως το αέριο θα ζεσταίνει και θερμότερο. Αυτό είναι κακό για το σχηματισμό των αστεριών, οπότε είχαμε σκεφτεί ότι πολλοί γαλαξίες στις πρώτες το σύμπαν θα πρέπει να έχει σταματήσει να σχηματίζει αστέρια εδώ και πολύ καιρό ", δήλωσε ο Μπεχρόιζι. "Αλλά βρήκαμε το αντίθετο: Οι γαλαξίες ενός δεδομένου μεγέθους ήταν πιο πιθανό να σχηματίσουν αστέρια με υψηλότερο ρυθμό, αντίθετα με την προσδοκία".
Τώρα, η ομάδα σκοπεύει να επεκτείνει το UniverseMachine για να δοκιμάσει περισσότερους τρόπους που η σκοτεινή ύλη μπορεί να επηρεάσει τις ιδιότητες των γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου εξέλιξης των σχημάτων τους, της μάζας των μαύρων τρυπών τους και του πόσο συχνά τα αστέρια τους πηγαίνουν σουπερνόβα.
"Για μένα, το πιο συναρπαστικό είναι ότι έχουμε τώρα ένα μοντέλο όπου μπορούμε να αρχίσουμε να θέτουμε όλες αυτές τις ερωτήσεις σε ένα πλαίσιο που λειτουργεί", δήλωσε ο Wechsler. "Έχουμε ένα μοντέλο που είναι αρκετά ανέξοδες υπολογιστικά, ότι μπορούμε ουσιαστικά να υπολογίσουμε ένα ολόκληρο σύμπαν σε περίπου ένα δευτερόλεπτο. Τότε μπορούμε να αντέξουμε να το κάνουμε αυτό εκατομμύρια φορές και να εξερευνήσουμε όλο το χώρο των παραμέτρων".
Η ερευνητική ομάδα δημοσίευσε τα αποτελέσματά της στο τεύχος Σεπτεμβρίου του περιοδικού Μηνιαίες ανακοινώσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.
