Astronomen führen die größte kosmische Computersimulation aller Zeiten durch

Ein internationales Team von Astronomen hat die vermutlich größte kosmologische Computersimulation aller Zeiten durchgeführt und dabei nicht nur dunkle Materie, sondern auch reguläre Materie (wie Planeten, Sterne und Galaxien) verfolgt und uns einen Einblick in die Entwicklung des Universums gegeben.

Flamingos Simulationen berechnen die Entwicklung aller Komponenten des Universums – gewöhnliche Materie, dunkle Materie und dunkle Energie – gemäß den Gesetzen der Physik. Im Verlauf der Simulation erscheinen virtuelle Galaxien und Galaxienhaufen. drei Blätter Es ist gewesen veröffentlicht In Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical SocietyEiner beschreibt die Methoden, einer stellt die Simulationen vor und der dritte untersucht, wie gut die Simulationen die großräumige Struktur des Universums abbilden.

Einrichtungen wie das kürzlich gestartete Euclid-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und das JWST der NASA sammeln riesige Datenmengen über Galaxien, Quasare und Sterne. Simulationen wie FLAMINGO spielen eine Schlüsselrolle bei der wissenschaftlichen Interpretation von Daten, indem sie Vorhersagen aus Theorien des Universums mit beobachteten Daten verknüpfen.

Der Theorie zufolge werden die Eigenschaften unseres gesamten Universums durch einige Zahlen bestimmt, die „kosmologische Parameter“ genannt werden (sechs davon in der einfachsten Version der Theorie). Die Werte dieser Parameter können auf unterschiedliche Weise sehr genau gemessen werden.

Eine dieser Methoden basiert auf den Eigenschaften des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), einem schwachen Hintergrundglühen, das vom frühen Universum übrig geblieben ist. Allerdings stimmen diese Werte nicht mit denen überein, die mit anderen Techniken gemessen werden, die auf der Art und Weise beruhen, wie die Gravitationskraft von Galaxien das Licht beugt (Linseneffekt). Diese „Spannungen“ könnten den Untergang des Standardmodells der Kosmologie, des Modells der kalten dunklen Materie, signalisieren.

Computersimulationen können möglicherweise die Ursache dieser Spannungen aufdecken, da sie Wissenschaftler über mögliche Verzerrungen (systematische Fehler) bei Messungen informieren können. Wenn keiner dieser Gründe ausreicht, um die Spannungen zu erklären, steckt die Theorie in echten Schwierigkeiten.

Bisher verfolgten die Computersimulationen, die zum Vergleich mit Beobachtungen herangezogen wurden, nur die Erfassung kalter dunkler Materie. „Obwohl Dunkle Materie die Schwerkraft dominiert, kann der Beitrag gewöhnlicher Materie nicht länger vernachlässigt werden, da dieser Beitrag Abweichungen zwischen Modellen und Beobachtungen ähneln kann“, sagt Forschungsleiter Job Schaie (Universität Leiden).

Die ersten Ergebnisse zeigen, dass für genaue Vorhersagen sowohl Neutrinos als auch gewöhnliche Materie erforderlich sind, sie beseitigen jedoch nicht die Spannungen zwischen verschiedenen kosmologischen Beobachtungen.

Simulationen, die auch gewöhnliche baryonische Materie (auch baryonische Materie genannt) verfolgen, sind schwieriger und erfordern viel mehr Rechenleistung. Das liegt daran, dass gewöhnliche Materie – die nur 16 Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht – nicht nur der Schwerkraft, sondern auch dem Gasdruck ausgesetzt ist, was dazu führen kann, dass Materie durch aktive Schwarze Löcher und Supernovae weit hinaus in den intergalaktischen Raum aus Galaxien geschleudert wird.

Die Stärke dieser intergalaktischen Winde hängt von Explosionen im interstellaren Medium ab und ist sehr schwer vorherzusagen. Darüber hinaus ist auch der Beitrag von Neutrinos, subatomaren Teilchen mit einer sehr kleinen, aber nicht genau bekannten Masse, wichtig, deren Bewegung jedoch noch nicht simuliert wurde.

Astronomen haben eine Reihe von Computersimulationen durchgeführt, um die Zusammensetzung der Struktur von Dunkler Materie, gewöhnlicher Materie und Neutrinos zu verfolgen. Ph.D. „Die Wirkung des galaktischen Windes wurde mithilfe maschinellen Lernens kalibriert, indem Vorhersagen aus vielen verschiedenen Simulationen relativ kleinen Maßstabs mit beobachteten Galaxienmassen und Gasverteilung in Galaxienhaufen verglichen wurden“, erklärt Student Roy Coghill (Universität Leiden).

Die Forscher simulierten das Modell, das die Kalibrierungsbeobachtungen am besten beschreibt, mithilfe eines Supercomputers in verschiedenen kosmischen Größen und mit unterschiedlichen Auflösungen. Darüber hinaus variierten sie Modellparameter, darunter die Stärke des galaktischen Windes, die Masse der Neutrinos und kosmologische Parameter in Simulationen etwas kleinerer, aber immer noch großer Volumina.

Die größte Simulation verwendet 300 Milliarden Auflösungselemente (Teilchen mit der Masse einer kleinen Galaxie) in einem Würfelvolumen, dessen Kanten zehn Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Es wird angenommen, dass dies die größte kosmologische Computersimulation gewöhnlicher Materie ist, die es je gab. „Um diese Simulation zu ermöglichen, haben wir einen neuen Code entwickelt, SWIFT, der die Rechenarbeit effizient auf mehr als 30.000 CPUs verteilt“, sagte Matthieu Schaller von der Universität Leiden.

FLAMINGO-Simulationen öffnen ein neues virtuelles Fenster zum Universum, das dabei hilft, kosmologische Beobachtungen optimal zu nutzen. Darüber hinaus bietet die große Menge an (virtuellen) Daten Möglichkeiten, neue theoretische Entdeckungen zu machen und neue Datenanalysetechniken, einschließlich maschinellem Lernen, zu testen.

Mithilfe maschinellen Lernens können Astronomen dann Vorhersagen für zufällige hypothetische Universen treffen. Durch den Vergleich mit Beobachtungen großräumiger Strukturen können sie die Werte kosmologischer Parameter messen. Darüber hinaus können sie die entsprechenden Unsicherheiten durch Vergleich mit Beobachtungen quantifizieren, die den Einfluss galaktischer Winde einschränken.