Ett team av astrofysiker har just skapat 8 miljoner unika universum i en superdator och låt dem utvecklas från bara tots till gamla geezers. Deras mål? Att spika ner den roll som en osynlig substans som kallas mörk materia spelade i vårt universums liv sedan Big Bang och vad det betyder för vårt öde.
Efter att ha upptäckt att vårt universum mestadels består av mörk materia i slutet av 1960-talet, har forskare spekulerat om dess roll i bildandet av galaxer och deras förmåga att föda nya stjärnor över tid.
Enligt Big Bang-teorin, inte länge efter att universum föddes, har en osynlig och svårfångad substansfysiker dubbat mörk materia börjat klumpas samman av tyngdkraften till massiva moln som kallas mörk materiahalo. När haloerna växte i storlek lockade de den glesa vätgas som tillåter universum att samlas och bilda stjärnor och galaxer vi ser idag. I denna teori fungerar mörk materia som ryggraden i galaxer och dikterar hur de bildar, smälter samman och utvecklas över tid.
För att bättre förstå hur mörk materia formade universums historia skapade Peter Behroozi, biträdande professor i astronomi vid University of Arizona, och hans team sina egna universum med skolans superdator. Datorns 2 000 processorer arbetade utan paus under en period av tre veckor för att simulera mer än 8 miljoner unika universum. Varje universum följde individuellt en unik uppsättning regler för att hjälpa forskare att förstå förhållandet mellan mörk materia och galaxernas utveckling.
"På datorn kan vi skapa många olika universum och jämföra dem med den verkliga, och det låter oss dra slutsatsen om vilka regler som leder till den vi ser," sa Behroozi i ett uttalande.
Medan tidigare simuleringar har fokuserat på modellering av enstaka galaxer eller generering av håna univers med begränsade parametrar, är UniverseMachine den första av dess omfattning. Programmet skapade kontinuerligt miljoner universum, vardera innehållande 12 miljoner galaxer, och tillät var och en att utvecklas över nästan hela det verkliga universums historia från 400 miljoner år efter Big Bang till nutid.
"Den stora frågan är, 'Hur bildas galaxer?'", Sa studieforskaren Risa Wechsler, professor i fysik och astrofysik vid Stanford University. "Det riktigt coola med den här studien är att vi kan använda alla data vi har om galaxutvecklingen - antalet galaxer, hur många stjärnor de har och hur de bildar dessa stjärnor - och sätta det ihop till en heltäckande bild av den sista 13 miljarder år av universum. "
Att skapa en kopia av vårt universum, eller till och med av en galax, skulle kräva en oförklarlig mängd datorkraft. Så Behroozi och hans kollegor minskade sitt fokus till två viktiga egenskaper hos galaxer: deras kombinerade massa av stjärnor och hastigheten med vilken de föder nya.
"Att simulera en enda galax kräver 10 till de 48: e beräkningsoperationerna," förklarade Behroozi, med hänvisning till en oktillionsoperation, eller en 1 följt av 48 nollor. "Alla datorer på jorden kombinerade kunde inte göra detta på hundra år. Så för att bara simulera en enda galax, än mindre 12 miljoner, var vi tvungna att göra det annorlunda."
När datorprogrammet skapar nya universum, gör det en gissning om hur en galaxens stjärnbildningshastighet är relaterad till dess ålder, dess tidigare interaktioner med andra galaxer och mängden mörk materia i dess gloria. Därefter jämförs varje universum med verkliga observationer och finjusterar de fysiska parametrarna med varje iteration för att bättre matcha verkligheten. Slutresultatet är ett universum nästan identiskt med vårt eget.
Enligt Wechsler visade deras resultat att hastigheten med vilken galaxer föder stjärnor är nära ansluten till massan av deras mörka materiehalor. Galaxer med halo-massor av mörk materia som mest liknar vår egen Vinterväg hade de högsta stjärnbildningsgraden. Hon förklarade att stjärnbildning bildas i mer massiva galaxer av ett överflöd av svarthål
Deras iakttagelser utmanade också långa uppfattningar om att mörk materia kvävde stjärnbildningen i det tidiga universum.
"När vi går tillbaka tidigare och tidigare i universum, skulle vi förvänta oss att den mörka materien skulle bli tätare och därför att gasen blir varmare och varmare. Detta är dåligt för stjärnbildningen, så vi trodde att många galaxer tidigt universum borde ha slutat bilda stjärnor för länge sedan, "sa Behroozi. "Men vi hittade det motsatta: Galaxer av en viss storlek var mer benägna att bilda stjärnor i högre takt, i motsats till förväntningarna."
Nu planerar teamet att utöka UniverseMachine för att testa fler sätt mörk materia kan påverka egenskaperna hos galaxer, inklusive hur deras former utvecklas, massan på deras svarta hål och hur ofta deras stjärnor blir supernova.
"För mig är det mest spännande att vi nu har en modell där vi kan börja ställa alla dessa frågor inom en ram som fungerar," sade Wechsler. "Vi har en modell som är tillräckligt billig beräkningsmässigt, att vi i huvudsak kan beräkna ett helt universum på ungefär en sekund. Sedan har vi råd att göra det miljoner gånger och utforska hela parameterutrymmet."
Forskningsgruppen publicerade sina resultat i septemberutgåvan av tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
