Oto największa symulacja wszechświata w dziejach. Naukowcy dostrzegli coś dziwnego

Symulacja pokazuje, jak z czasem tworzą się galaktyki i gromady galaktyk, tworząc tzw. kosmiczną sieć. To największa struktura we wszechświecie, zbudowana z włókien składających się zarówno z normalnej materii, czyli barionowej, jak i ciemnej materii.

Krótko po Wielkim Wybuchu Wszechświat został wypełniony niemal jednorodną zupą złożoną z atomów (głównie wodoru i helu), cząstek ciemnej materii i prawie bezmasowych neutrin. Chociaż średnia gęstość materii malała z biegiem czasu, ciemna materia zaczęła jednak zlepiać się pod wpływem własnej grawitacji. Atomy poszły w ich ślady, co ostatecznie doprowadziło do tego, co obserwujemy dzisiaj: „kosmicznej sieci” gromad i supergromad galaktyk, z których każda zawiera miliardy mgławic, gwiazd i planet.

Od lat 80. XX wieku astronomowie próbowali odtworzyć ten proces w symulacjach komputerowych. Dzięki szybkiemu rozwojowi technologii komputerowej symulacje te stają się coraz bardziej szczegółowe, zarówno pod względem rozmiaru (ilość symulowanej przestrzeni), jak i rozdzielczości (ile cząstek, czyli „elementów”, jest śledzonych). Flamingo (zawiły akronim od Full-hydro Large-scale Structure Simulations with All-sky Mapping for the Interpretation of Next Generation Observations) to jak dotąd największy i najbardziej złożony projekt.

Więcej o ciemnej materii przeczytasz na Spider`s Web:

Kierowany przez Joopa Schaye (Obserwatorium w Lejdzie, Holandia) międzynarodowy zespół Flamingo przeprowadził symulację ewolucji w rosnącej przestrzeni kosmicznej – sześcianie o bokach długości 10 mld lat świetlnych. W tym obszarze prześledzili grawitacyjne "zlepianie się" 300 mld cząstek, każda o masie około 130 mln mas Słońca, co odpowiada przeciętnej galaktyce karłowatej.

Nowe symulacje Wszechświata są pod każdym względem najnowocześniejsze i największe. Symulacje wymagały łącznie ponad 50 mln godz. pracy komputera na 30 tys. procesorów tworzących superkomputer DiRAC-COSMA8 na Uniwersytecie w Durham w Wielkiej Brytanii. Wyniki opublikowano dzisiaj w trzech artykułach w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Jednym z powodów, dla których astronomowie tak chętnie dowiadują się więcej o ewolucji kosmicznej, jest fakt, że kosmologia boryka się z dwoma dokuczliwymi problemami. Po pierwsze: obecne tempo ekspansji Wszechświata (stała Hubble'a) jest wyższe, niż można by się spodziewać na podstawie obserwacji kosmicznego mikrofalowego tła („poświata” Wielkiego Wybuchu). To niedopasowanie jest czasami nazywane napięciem Hubble'a. 

Po drugie, wydaje się, że materia we Wszechświecie jest nieco mniej skupiona, niż przewiduje standardowy model kosmologiczny. Jest to problem znany jako napięcie S8. I tym właśnie zajmują się naukowcy uczestniczący w projekcie Flamingo. Nowe symulacje mogą wskazywać, że coś jest nie tak z naszym cenionym standardowym modelem kosmologicznym.

Do tej pory zespół Flamingo przeprowadził 28 nieco odmiennych symulacji. Porównując wyniki z rzeczywistymi obserwacjami, astronomowie mają nadzieję wydedukować prawdziwe wartości tych parametrów i właściwości.

Podczas badania wszechświata, astronomowie czasami korzystają z parametru S8. Parametr ten charakteryzuje, jak “grudkowata”, czyli silnie skupiona, jest cała materia w naszym wszechświecie. Można go zmierzyć dokładnie za pomocą obserwacji soczewkowania grawitacyjnego.

Wartość S8 można również przewidzieć za pomocą standardowego modelu kosmologii; naukowcy mogą dostosować model do znanych właściwości mikrofalowego promieniowania tła (CMB), które jest promieniowaniem pozostałym po Wielkim Wybuchu, i obliczyć grudkowatość materii na tej podstawie. I tu pojawia się problem. Eksperymenty z CMB znajdują wyższą wartość S8 niż badania soczewkowania grawitacyjnego. A kosmolodzy nie wiedzą dlaczego - nazywają tę rozbieżność napięciem S8. Symulacja Flamingo może pomóc wyjaśnić przyczynę napięcia S8, ponieważ uwzględnia zarówno ciemną, jak i zwykłą materię, które mają wpływ na kształtowanie się struktur we wszechświecie.

Symulacja Flamingo jest nie tylko imponującym osiągnięciem technicznym, ale także pięknym przedstawieniem naszego wszechświata. Można na niej podziwiać, jak z czasem powstają galaktyki i gromady galaktyk, tworząc niezwykłe wzory i kształty. Symulacja pokazuje również, jak kosmiczna sieć łączy te struktury w ogromną sieć włókien. Symulacja ta jest więc nie tylko ważnym narzędziem do badania tajemnic wszechświata, ale także źródłem zachwytu i inspiracji dla każdego, kto interesuje się kosmosem.