Ein Team von Astrophysikern hat gerade 8 Millionen einzigartige Universen in einem Supercomputer hervorgebracht und sie von Kleinigkeiten zu alten Geezern entwickeln lassen. Ihr Ziel? Um herauszufinden, welche Rolle eine unsichtbare Substanz namens Dunkle Materie seit dem Urknall im Leben unseres Universums gespielt hat und was dies für unser Schicksal bedeutet.
Nachdem Wissenschaftler Ende der 1960er Jahre entdeckt hatten, dass unser Universum hauptsächlich aus dunkler Materie besteht, haben sie über seine Rolle bei der Bildung von Galaxien und ihre Fähigkeit spekuliert, im Laufe der Zeit neue Sterne hervorzubringen.
Nach der Urknalltheorie begann nicht lange nach der Geburt des Universums eine unsichtbare und schwer fassbare Substanz, die Physiker dunkle Materie genannt haben, durch die Schwerkraft zu massiven Wolken zusammenzufallen, die als Halos der dunklen Materie bezeichnet werden. Als die Halos größer wurden, zogen sie das spärliche Wasserstoffgas an, das das Universum durchdringt, um zusammenzukommen und die Sterne und Galaxien zu bilden, die wir heute sehen. In dieser Theorie fungiert dunkle Materie als Rückgrat von Galaxien und bestimmt, wie sie sich im Laufe der Zeit bilden, verschmelzen und entwickeln.
Um besser zu verstehen, wie dunkle Materie diese Geschichte des Universums geprägt hat, haben Peter Behroozi, Assistenzprofessor für Astronomie an der Universität von Arizona, und sein Team mithilfe des Supercomputers der Schule seine eigenen Universen erstellt. Die 2.000 Prozessoren des Computers arbeiteten über einen Zeitraum von drei Wochen ohne Pause, um mehr als 8 Millionen einzigartige Universen zu simulieren. Jedes Universum befolgte individuell ein einzigartiges Regelwerk, um den Forschern zu helfen, die Beziehung zwischen dunkler Materie und der Entwicklung von Galaxien zu verstehen.
"Auf dem Computer können wir viele verschiedene Universen erstellen und mit den tatsächlichen vergleichen. Dadurch können wir ableiten, welche Regeln zu den Regeln führen, die wir sehen", sagte Behroozi in einer Erklärung.
Während sich frühere Simulationen auf die Modellierung einzelner Galaxien oder die Erzeugung von Scheinuniversen mit begrenzten Parametern konzentrierten, ist die UniverseMachine die erste ihres Anwendungsbereichs. Das Programm schuf kontinuierlich Millionen von Universen mit jeweils 12 Millionen Galaxien, die sich über 400 Millionen Jahre nach dem Urknall bis heute über fast die gesamte Geschichte des realen Universums entwickeln konnten.
"Die große Frage ist: Wie bilden sich Galaxien?", Sagte die Studienforscherin Risa Wechsler, Professorin für Physik und Astrophysik an der Stanford University. "Das wirklich Coole an dieser Studie ist, dass wir alle Daten, die wir über die Galaxienentwicklung haben - die Anzahl der Galaxien, wie viele Sterne sie haben und wie sie diese Sterne bilden - verwenden und diese zu einem umfassenden Bild der letzten zusammenfügen können 13 Milliarden Jahre des Universums. "
Das Erstellen einer Nachbildung unseres Universums oder sogar einer Galaxie würde eine unerklärliche Menge an Rechenleistung erfordern. Daher beschränkten Behroozi und seine Kollegen ihren Fokus auf zwei Schlüsseleigenschaften von Galaxien: ihre kombinierte Masse von Sternen und die Geschwindigkeit, mit der sie neue hervorbringen.
"Die Simulation einer einzelnen Galaxie erfordert 10 bis 48 Rechenoperationen", erklärte Behroozi unter Bezugnahme auf eine Oktillionsoperation oder eine 1 gefolgt von 48 Nullen. "Alle Computer auf der Erde zusammen konnten dies in hundert Jahren nicht tun. Um also nur eine einzige Galaxie zu simulieren, geschweige denn 12 Millionen, mussten wir dies anders tun."
Während das Computerprogramm neue Universen hervorbringt, errät es, wie die Sternentstehungsrate einer Galaxie mit ihrem Alter, ihren früheren Wechselwirkungen mit anderen Galaxien und der Menge an dunkler Materie in ihrem Lichthof zusammenhängt. Anschließend wird jedes Universum mit realen Beobachtungen verglichen und die physikalischen Parameter bei jeder Iteration verfeinert, um der Realität besser zu entsprechen. Das Endergebnis ist ein Universum, das fast identisch mit unserem ist.
Laut Wechsler zeigten ihre Ergebnisse, dass die Geschwindigkeit, mit der Galaxien Sterne gebären, eng mit der Masse ihrer Halos aus dunkler Materie verbunden ist. Galaxien mit Halo-Massen aus dunkler Materie, die unserer eigenen Milchstraße am ähnlichsten sind, hatten die höchsten Sternentstehungsraten. Sie erklärte, dass die Sternentstehung in massereicheren Galaxien durch eine Fülle von Schwarzen Löchern erstickt wird
Ihre Beobachtungen stellten auch die seit langem bestehende Überzeugung in Frage, dass dunkle Materie die Sternentstehung im frühen Universum erstickte.
"Wenn wir früher und früher im Universum zurückkehren, würden wir erwarten, dass die dunkle Materie dichter wird und daher das Gas immer heißer wird. Dies ist schlecht für die Sternentstehung, daher hatten wir gedacht, dass viele Galaxien am Anfang sind Das Universum hätte schon vor langer Zeit aufhören sollen, Sterne zu bilden ", sagte Behroozi. "Aber wir fanden das Gegenteil: Galaxien einer bestimmten Größe bildeten entgegen der Erwartung eher Sterne mit einer höheren Rate."
Jetzt plant das Team, die UniverseMachine zu erweitern, um zu testen, wie dunkle Materie die Eigenschaften von Galaxien beeinflussen kann, einschließlich der Entwicklung ihrer Formen, der Masse ihrer Schwarzen Löcher und der Häufigkeit, mit der ihre Sterne Supernova werden.
"Für mich ist das Aufregendste, dass wir jetzt ein Modell haben, mit dem wir beginnen können, all diese Fragen in einem funktionierenden Rahmen zu stellen", sagte Wechsler. "Wir haben ein Modell, das rechnerisch kostengünstig genug ist, um im Wesentlichen ein gesamtes Universum in etwa einer Sekunde zu berechnen. Dann können wir es uns leisten, dies millionenfach zu tun und den gesamten Parameterraum zu erkunden."
Die Forschungsgruppe veröffentlichte ihre Ergebnisse in der September-Ausgabe der Zeitschrift Monthly Notices der Royal Astronomical Society.
