研究者たちは、星や銀河の形成をモデル化するために、「UniverseMachine」と呼ばれる大規模なスーパーコンピューターに目を向けました。その過程で、彼らはほぼ 10¹⁴ の銀河からなる 800 万という驚異的な「仮想宇宙」を作成しました。
銀河とそれらがホストする星の起源と進化は、科学者が何十年にもわたって探求してきた謎であったと言うのは、究極の控えめな表現です.
実際、星がどのように形成され、なぜ星がそのように集まっているのかを理解したいという欲求は、科学、宗教、そしておそらく文明そのものよりも前からあります.人間が考えて推論できる限り、「星」や「銀河」が何であるかを知るずっと前に、その性質を知りたいという願望を持って天に目を向けていました。
私たちは今、これまで以上に多くのことを知っていますが、天とその創造物にはまだ謎があります。実際の銀河を観察しても、研究者は銀河がどのように見えるかの「スナップショット」しか得られません。時間はあまりにも広大であり、進化する銀河を観察するには、私たちが存在する期間は短すぎます。
現在、アリゾナ大学が率いる研究者チームは、スーパーコンピューター シミュレーションを利用して、これらの最も古い疑問の答えに近づいています。
天文学者は、このようなコンピューター シミュレーションを長年にわたって使用して、銀河の創造と進化のモデルを開発およびテストしてきましたが、一度に 1 つの銀河に対してしか機能しないため、より「普遍的な」全体像を提供できていません。
このハードルを克服するために、UA Steward Observatory の助教授である Peter Behroozi と彼のチームは、スーパーコンピューターで数百万の異なる宇宙を生成しました。各宇宙は、別々の一連の物理理論とパラメーターで発展するようにプログラムされていました。
そのため、チームは、800 万を超える宇宙と少なくとも 9.6 x 10¹³ の銀河からなる仮想の「多元宇宙」を作成するために、独自のスーパーコンピューター (研究者が呼ぶように、UniverseMachine) を開発しました。
この結果は、銀河形成の長年の異常を解決する可能性があります — 原料である水素がまだ尽きていないときに銀河が新しい星の形成を停止する理由.
この研究は、超大質量ブラック ホール、暗黒物質、および超新星が、現在理論化されているよりも星形成を阻止する効率がはるかに低いことを示しているようです。
チームの調査結果 — ジャーナル Royal Astronomical Society の月次通知 — に掲載 科学が銀河の形成について保持している現在のアイデアの多くに挑戦します。特に、この結果は、銀河がどのように形成され、どのように星が誕生し、宇宙の物質の 80% を構成する謎の物質である暗黒物質の役割を再考することを促しています。
研究の筆頭著者であるBehroozi。は次のように述べています。「コンピューター上で、さまざまな宇宙を作成し、それらを実際の宇宙と比較することができます。これにより、どのルールが私たちが見ているものにつながるかを推測できます。」
この研究が注目に値するのは、シミュレートされた各宇宙に、「ビッグバン」から現在までの 4 億年にわたる 1200 万個の銀河が含まれた初めての研究であるということです。そのため、研究者たちは、私たちの宇宙によく似た自己矛盾のない宇宙の作成に成功しました。
多元宇宙のテスト — 宇宙がどのように機能するか
各宇宙を実際の宇宙と比較するために、それぞれがホストするシミュレートされた銀河の外観を実際の宇宙のものと比較して評価する一連のテストを受けました。
銀河がどのように星を形成するかについての一般的な理論には、重力の影響下で冷たいガスが崩壊して密集したポケットに入り、星を生み出すという複雑な相互作用が関係しています。これが起こると、他のプロセスが星の形成を妨げるように作用しています.
たとえば、ほとんどの銀河の中心には超大質量ブラック ホールがあると考えられています。これらのブラックホールの周りに降着円盤を形成し、最終的にそれらに「供給」される物質は、途方もないエネルギーを放射します。このように、これらのシステムはほとんど「宇宙のトーチ」加熱ガスとして機能し、星の苗床に崩壊するのに十分なほど冷却するのを防ぎます.
超新星爆発 (死につつある星の大規模な噴火) も、このプロセスに寄与しています。これに加えて、暗黒物質は、銀河内の目に見える物質に作用する重力のほとんどを提供します。したがって、銀河の周囲から冷たいガスを引き込み、その過程でそれを加熱します.
Behroozi は次のように詳しく述べています。
「これは星の形成に悪いので、初期宇宙の多くの銀河はずっと前に星の形成を停止したはずだと考えていました。」
しかし、チームが発見したのは反対でした.
Behroozi は次のように述べています。
奇妙な世界でルールを曲げる
実際の銀河の観測と一致させるために、チームは逆の仮想宇宙を作成する必要がありました — 銀河がはるかに長い間星を誕生させ続けた宇宙です.
研究者が銀河形成の現在の理論に基づいて宇宙を作成した場合 — 銀河が早い段階で星の形成を停止した宇宙 — それらの銀河は、私たちが空で見る銀河よりもはるかに赤く見えました.
銀河が赤く見えるのには、主に 2 つの理由があります。宇宙の宇宙膨張の歴史の中で銀河が以前に形成された場合、つまりハッブルの流れは、それがより急速に私たちから遠ざかることを意味し、それが放出する光の波長の大幅な伸びを引き起こし、それを電磁気の赤い端にシフトします。スペクトラム。赤方偏移と呼ばれるプロセス。
これに加えて、古い銀河が赤く見えるもう 1 つの理由は、その銀河に固有のものであり、赤方偏移のような外部効果ではありません。銀河が星の形成を停止した場合、通常はより早く消滅する青い星が少なくなるため、より古い (より赤い) 星が残ります。
ただし、Behroozi 氏は、チームがシミュレーションで見たものではないと指摘しています。彼は次のように述べています。
「言い換えれば、初期の銀河は、私たちが考えていたよりも効率的に星を形成したと結論せざるを得ません。このことから、超大質量ブラック ホールと星の爆発によって生成されるエネルギーは、私たちの理論が予測したよりも星の形成を抑える効率が低いことがわかります。」
マルチバースの計算は難しい
前例のない複雑さの模擬宇宙を作成するには、計算能力とメモリに制限されないまったく新しいアプローチが必要であり、「小さな」もの (超新星などの個々の天体) から観測可能な宇宙のかなりの部分までスケールを広げるのに十分な解像度を提供しました。
Behroozi 氏は、チームが克服しなければならなかったコンピューティングの課題について次のように説明しています。地球上のすべてのコンピューターを合わせても、100 年でこれを行うことはできません。そのため、1,200 万は言うまでもなく、単一の銀河をシミュレートするには、これを別の方法で行う必要がありました。」
チームは、NASA エイムズ研究センターとドイツのガルヒングにあるライプニッツ レヘンゼントラムのコンピューティング リソースを利用することに加えて、UA ハイパフォーマンス コンピューティング クラスターで Ocelote スーパーコンピューターを使用しました。
2,000 のプロセッサが 3 週間にわたって同時にデータを処理しました。研究プロジェクトの過程で、Behroozi と彼の同僚は 800 万以上の宇宙を生成しました。
彼は次のように説明しています。
「何千もの情報をつなぎ合わせて、どれが一致するかを確認しました。私たちが作成した宇宙は正しく見えましたか?そうでない場合は、戻って修正し、再度確認します。」
Behroozi と彼の同僚は現在、Universe Machine を拡張して、個々の銀河の形態とその形状が時間とともにどのように進化するかを含めることを計画しています。
そのため、銀河、星、そして最終的には生命がどのように誕生したかについて、私たちの理解を深めることができます。
元の調査: https://academic.oup.com/mnras/article/488/3/3143/5484868
