Simulerad bild som visar materiens fördelning i universum. Bildkredit: MPG. Klicka för att förstora.
Virgo-konsortiet, en internationell grupp astrofysiker från Storbritannien, Tyskland, Japan, Kanada och USA har idag (2 juni) släppt första resultat från den största och mest realistiska simuleringen någonsin av tillväxten av den kosmiska strukturen och bildandet av galaxer och kvasarer. I en artikel publicerad i Nature visar Virgo Consortium hur man kan jämföra fysiska processer som ligger till grund för uppbyggnaden av verkliga galaxer och svarta hål genom att jämföra sådana simulerade data med stora observationsundersökningar.
"Millennium Simulation" använde mer än 10 miljarder partiklar av materia för att spåra utvecklingen av materialfördelningen i en kubikregion i universum över 2 miljarder ljusår på en sida. Det höll den huvudsakliga superdatorn på Max Planck Society's Supercomputing Center i Garching, Tyskland ockuperat i mer än en månad. Genom att tillämpa sofistikerade modelleringstekniker på de 25 Terabyte (25 miljoner Megabyte) av lagrad produktion kan Virgo-forskare återskapa evolutionshistorier för de ungefär 20 miljoner galaxer som fyller denna enorma volym och för de supermassiva svarta hålen som ibland ses som kvasar i deras hjärtan .
Teleskop som är känsliga för mikrovågor har kunnat avbilda universum direkt när det bara var 400 000 år gammalt. Den enda strukturen vid den tiden var svaga krusningar i ett annars enhetligt hav av materie och strålning. Gravitationsstyrd evolution gjorde senare dessa krusningar till den oerhört rika strukturen vi ser idag. Det är denna tillväxt som Millennium Simulation är utformad för att följa, med de två målen att kontrollera att detta nya paradigm för kosmisk utveckling verkligen är förenligt med vad vi ser, och att utforska den komplexa fysiken som gav upphov till galaxer och deras centrala svarta hål .
De senaste framstegen inom kosmologin visar att cirka 70 procent av vårt universum för närvarande består av Dark Energy, ett mystiskt kraftfält som gör att det expanderar allt snabbare. Cirka en fjärdedel består uppenbarligen av Cold Dark Matter, en ny typ av elementär partikel som ännu inte direkt detekterats på jorden. Endast cirka 5 procent är gjorda av det vanliga atomaterialet som vi känner till, främst av väte och helium. Alla dessa komponenter behandlas i Millennium Simulation.
I sin Nature-artikel använder Jungfruforskarna Millennium Simulation för att studera den tidiga tillväxten av svarta hål. Sloan Digital Sky Survey (SDSS) har upptäckt ett antal mycket avlägsna och mycket ljusa kvasarer som verkar vara värda svarta hål minst en miljard gånger massivare än solen vid en tidpunkt då universum var mindre än en tiondel av sin nuvarande ålder.
"Många astronomer tyckte detta omöjligt att förena sig med den gradvisa tillväxten av strukturen som förutses av standardbilden", säger Dr Volker Springel (Max Planck Institute for Astrophysics, Garching), ledare för Millennium-projektet och artikelens första författare, "Yet , när vi testade vår galax- och kvasarbildningsmodellering fann vi att några massiva svarta hål bildas tidigt nog för att redogöra för dessa mycket sällsynta SDSS-kvasarer. Deras galaxvärdar visas först i Millennium-uppgifterna när universum bara är några hundra miljoner år gammalt, och idag har de blivit de mest massiva galaxerna i centrum för de största galaxklusterna. ”
För prof Carlos Frenk (Institute for Computational Cosmology, University of Durham), chef för Jungfru i Storbritannien, är den mest intressanta aspekten av de preliminära resultaten det faktum att Millennium Simulation för första gången visar att de karakteristiska mönstren präglade saken. distribution vid tidiga epoker och synlig direkt i mikrovågskartor, bör fortfarande vara närvarande och bör vara detekterbar i den observerade distributionen av galaxer. "Om vi kan mäta baryonen vrikar tillräckligt bra", säger prof Frenk, "kommer de att ge oss en standardmätstång för att känneteckna universums geometri och expansionshistoria och för att lära oss om den mörka energiens natur."
"Dessa simuleringar ger häpnadsväckande bilder och representerar en betydande milstolpe i vår förståelse för hur det tidiga universum tog form." sa PPARC: s verkställande direktör, prof Richard Wade. "Millennium Simulation är ett lysande exempel på samspelet mellan teori och experiment i astronomi eftersom de senaste observationerna av astronomiska objekt kan användas för att testa förutsägelserna om teoretiska modeller av universums historia."
De mest intressanta och långtgående tillämpningarna av Millennium Simulation kommer fortfarande att komma enligt prof Simon White (Max Planck Institute for Astrophysics), som är chef för Jungfruinsatsningar i Tyskland. "Nya observationskampanjer ger oss information med en aldrig tidigare skådad precision om galaxernas egenskaper, svarta hål och vårt universums storskaliga struktur," konstaterar han. ”Vår förmåga att förutsäga konsekvenserna av våra teorier måste nå en matchande nivå av precision om vi ska använda dessa undersökningar effektivt för att lära oss om vår världs ursprung och natur. Millennium Simulation är ett unikt verktyg för detta. Vår största utmaning nu är att göra kraften tillgänglig för astronomer överallt så att de kan infoga sin egen galax- och kvasarbildningsmodellering för att tolka sina egna observationsundersökningar. ”
Originalkälla: PPARC-nyhetsmeddelande
