2000 年代初頭、コーダー宇宙学者の小さなコミュニティが、スーパーコンピューターで 140 億年の宇宙の歴史をシミュレートしようと試みました。彼らは、実際の宇宙を研究するための実験室として機能するために、ギガ年ではなく数か月で実行できるコンピューター コードの Cliffs Notes バージョンである、宇宙のプロキシを作成することを目指しました。
シミュレーションは見事に失敗しました。ペトリ皿の中の突然変異細胞のように、模擬銀河はすべて間違って成長し、穏やかに回転する渦巻きではなく、過度に星のような塊になった.研究者が銀河の中心にある超大質量ブラック ホールをプログラムすると、ブラック ホールはそれらの銀河をドーナツに変えるか、うろつくモンスターのように銀河の中心から漂い出しました。
しかし最近、科学者たちは宇宙創造の科学と芸術を習得し始めたようです。彼らは物理学の法則を、初期の宇宙に存在していたような (シミュレートされた) 物質の滑らかで高温の流体に適用し、その流体が今日の宇宙にあるような渦巻銀河や銀河団に進化するのを見ています.
「うわー、信じられない！」カーネギー メロン大学の数値宇宙学者である Tiziana Di Matteo 氏は、現在進行中の主要なシミュレーション シリーズの 1 つである BlueTides の最初の実行で、2015 年に初めて現実的な渦巻銀河が形成されるのを見たことについて語っています。 「これは単なるコード行の集まりに過ぎないので、自分自身を驚かせていますよね?」
模擬宇宙の現実性が飛躍的に向上したことで、研究者は現在、シミュレーションを実験室として使用しています。毎回実行した後、彼らは自分のコードを覗いて、シミュレートされた宇宙の特定の機能がどのように、なぜ発生するのかを理解することができ、実際に何が起こっているのかを説明することもできます.新たに機能するプロキシは、目に見えない物質の 84% についての説明と仮説に影響を与えました。標準的な暗黒物質仮説に疑問を投げかけた、実際の銀河についての以前は不可解な望遠鏡観測が、最先端のファクシミリで説明されています。
シミュレーションはまた、銀河の中心を固定する超大質量ブラック ホールへのバーチャル アクセスをディ マッテオのような研究者に与えました。 「今、私たちはこれらのモデルを実際に使用してまったく新しい予測を行うことができるエキサイティングな場所にいます」と彼女は言いました.
ブラック ホール エンジンとスーパーバブルの衝撃波
約 15 年前まで、ほとんどの宇宙論的シミュレーションは現実的な銀河を形成しようとさえしませんでした。彼らは暗黒物質のみをモデル化しました。標準的な仮説では、暗黒物質は重力によってのみ相互作用するため、私たちが目にする複雑な原子のものよりもはるかに簡単にコード化できます.
ダークマターのみのシミュレーションでは、目に見えない物質の丸みを帯びた「ハロー」が適切なサイズと形状で自然に形成され、その中に目に見える銀河を潜在的に抱きしめていることがわかりました。ドイツのハイデルベルク大学の主要なコーダー宇宙学者である Volker Springel は、次のように述べています。何が起こっているかについての有望な予測です。」
その後、研究者は目に見える物質をコードに追加し始め、天文学的に難易度を上げました。暗黒物質のハローとは異なり、相互作用する原子は、宇宙が展開するにつれて複雑に進化し、星や超新星などの幻想的な物体を生み出します.物理を完全にコーディングすることはできず、コーダーは単純化して省略しなければなりませんでした。すべてのチームは、この要約に対して異なるアプローチを取り、重要な天体物理学と見なされるものを選択してプログラミングしました。
その後、2012 年に、ポツダムのライプニッツ天体物理学研究所のセシリア スカンナピエコによる研究が、この分野に警鐘を鳴らしました。参加したカナダのマクマスター大学のジェームズ・ワズリー氏は、「彼女は多くの人々に、すべてのコードを使って同じ銀河を実行するよう説得しました」と述べています。 「そして、誰もがそれを間違えました。」彼らの銀河はすべて異なって見え、「誰もがあまりにも多くの星を作りすぎました」。
スキャナピエコの研究は「恥ずかしい」ものであると同時に、非常にやる気を起こさせるものでもあったとワズリー氏は述べています。実際の銀河では、星の生成が減少していると彼と他の人たちは説明しました。銀河の燃料が少なくなると、それらの光は燃え尽きてしまい、取り替えられません。しかし、シミュレーションでは、ガスが追い出されていなかったため、後期銀河は「狂ったように星を作っていた」と Wadsley 氏は述べています。
最新世代のシミュレーションの問題を修正した 2 つの重要な更新のうちの最初のものは、渦巻銀河の中心に超大質量ブラック ホールが追加されたことです。時空の構造にあるこれらの計り知れないほど密度の高い底なしの穴は、重さが太陽の 10 億倍を超えるものもあり、燃料を燃焼するエンジンとして機能し、周囲の星、ガス、ほこりを乱雑に食べ、ジェットと呼ばれるライトセーバーのようなビームで破片を外側に吐き出します。それらは、現在の渦巻銀河が以前よりも少ない星を形成する主な理由です.
もう1つの新しい重要な要素は超新星であり、何百もの超新星が素早く連続して爆発する衝撃波が組み合わさって形成される「スーパーバブル」です。 2015年にGASOLINE2と呼ばれるコードにスーパーバブルを統合したWadsley氏は、スーパーバブルでは、「数百万年かけて小さな銀河が爆発する可能性があります。それらは非常にクレイジーな極端なオブジェクトです.それらは、星がクラスターで生きたり死んだりする傾向があり、巨大なガス雲が崩壊するときに数十万個ずつ形成され、その後、互いに約100万年以内に超新星になるために発生します。スーパーバブルは、星の形成を抑制し、押し出された物質が後で再崩壊する前に攪拌するのに役立ちます.それらを含めることで、シミュレートされた小さな銀河がより現実的になりました。
クイーンズボロー コミュニティ カレッジとニューヨークのアメリカ自然史博物館の気難しい若い数値宇宙論者であるジリアン ベロバリーは、2008 年に最初のブラック ホールのいくつかをコーディングし、それらを GASOLINE にまとめました。ブラック ホールがガスの密度と温度の関数として消費するガスの量と、ブラック ホールに放出するエネルギー量を伝える 2 つ目の方程式。他の研究者は後にベロバリーの研究に基づいて構築しましたが、最も重要なことは、銀河のドーナツを形成するほど大量のガスを吹き飛ばさないようにしながら、ブラック ホールを模擬銀河の中心に固定する方法を考え出すことでした。
数十万の銀河のこのすべての物理を一度にシミュレートするには、膨大な計算能力と巧妙さが必要です。現代のスーパーコンピューターは、基本的に 1 つのチップに搭載できるトランジスタの数を限界まで増やしており、100,000 もの並列コアにまたがって拡張し、同時に数を処理しています。コーダーは、コアを分割する方法を考え出さなければなりませんでした。シミュレートされたユニバースの一部が急速かつ複雑に進化し、他の部分ではほとんど何も起こらず、状況が一瞬にして切り替わる場合、簡単な作業ではありません。研究者は、必要に応じてコンピューター リソースを適応的に割り当てるアルゴリズムを使用して、この巨大なダイナミック レンジに対処する方法を見つけました。
彼らはまた、さまざまな兵站の戦いを戦い、勝利しました。たとえば、「同じガスを食べる 2 つのブラック ホールがある場合」、「スーパーコンピューターの 2 つの異なるプロセッサ上にある場合、どのようにしてブラック ホールが同じ粒子を食べないようにするのでしょうか?」並列プロセッサは「互いに対話する必要があります」と彼女は言いました。
ダークマターを救う
シミュレーションは最終的に、科学に使用できるほど十分に機能します。 BlueTides を使用して、ディ マッテオと共同研究者は、宇宙の最初の 6 億年間の銀河形成に焦点を当てています。どういうわけか、超大質量ブラック ホールは、その期間中に暗黒物質の輪の中心に巻き付き、目に見えるガスと塵の回転するスカートをそれらの周りに引っ張るのに役立ちました。知られていないのは、彼らがどのようにしてこれほど急速に大きくなったかということです。 BlueTides で目撃された 1 つの可能性は、超大質量ブラック ホールが、初期宇宙の過密なパッチ内の巨大なガス雲の重力崩壊から自然発生的に形成されたことです。 「BlueTides シミュレーションを使用して、この最初の銀河とブラック ホールの集団がどのようなものかを実際に予測しました」と Di Matteo 氏は述べています。シミュレーションでは、ピクルス型の原始銀河と、生まれたばかりの超大質量ブラック ホールの周りに形成される小さな渦巻きが見られます。将来の望遠鏡 (2020 年に打ち上げ予定の James Webb Space Telescope を含む) が宇宙を深く覗き込み、銀河の誕生までさかのぼって観測するものは、コードに組み込まれた方程式をテストすることになります.
この一進一退のゲームのもう 1 つのリーダーは、カリフォルニア工科大学の教授である Phil Hopkins です。彼のコード FIRE は、宇宙の比較的小さなボリュームを高解像度でシミュレートします。ホプキンズは「他の多くの人が持っていない方法で決議を推進しました」とワズリーは言いました。 「彼の銀河はとても良く見えます。」ホプキンスと彼のチームは、天の川を周回する「矮小銀河」衛星など、最もリアルな小さな銀河をいくつか作成しました。
これらの小さくかすかな銀河は、常に問題を引き起こしてきました。たとえば、「失われた衛星の問題」は、標準的なコールド ダーク マター モデルに基づいて、何百もの衛星銀河がすべての渦巻銀河を周回するはずであるという予想です。しかし、天の川には数十しかありません。これにより、一部の物理学者は暗黒物質のより複雑なモデルを熟考するようになりました。しかし、ホプキンスと同僚が現実的なスーパーバブルをシミュレーションに組み込んだとき、それらの余分な衛星銀河の多くが消えていくのを見ました.ホプキンスはまた、冷たい暗黒物質のパラダイムを悩ませてきた「カスプコア」と「大きすぎてつぶせない」という 2 つの問題に対する解決策の可能性も見出しました。
アップグレードされたシミュレーションにより、ワズリー、ディ・マッテオなども暗黒物質が存在するという主張を強化しています。暗黒物質に関する疑念が長引く最大の原因は、銀河の目に見える部分間の奇妙な関係であることは間違いありません。つまり、星が銀河系を一周する速度は、その軌道に含まれる目に見える物質の量と密接に一致しています。星を加速していると思われる暗黒物質が非常に多いため、星の動きが目に見える物質の量とあまり関係があるとは思わないでしょう.この関係が暗黒物質のフレームワーク内に存在するためには、銀河内の暗黒物質と可視物質の量を微調整して、それら自体が密接に相関し、銀河の回転速度がいずれかを追跡するようにする必要があります。
修正ニュートン力学 (MOND) と呼ばれる別の理論では、暗黒物質は存在しないと主張しています。むしろ、目に見える物質は、銀河の周辺で予想されるよりも強い重力を発揮します。有名な重力の逆二乗法則を微調整することで、MOND は観測された銀河の回転速度とほぼ一致します (ただし、暗黒物質に起因する他の現象を説明するのに苦労しています)。
ケース ウェスタン リザーブ大学の宇宙学者 Stacy McGaugh と共同研究者が、星の回転速度と目に見える物質との間の関係が実際の銀河の範囲にわたってどれほど密接に保持されているかを示した 2016 年に、微調整の問題が鋭くなったように見えました。しかし、McGaugh の論文は、数値宇宙論コミュニティからの 3 つの迅速な反論に遭遇しました。 3 つのチーム (1 つは Wadsley、もう 1 つは Di Matteo、そして 3 つ目はビクトリア大学の Julio Navarro が率いる) がシミュレーションの結果を発表し、暗黒物質で満たされた銀河ではこの関係が自然に生じることを示しました。
冷たい暗黒物質の輪についての標準的な仮定を立てて、研究者は McGaugh のサンプルのような銀河をシミュレートしました。彼らの銀河は、観測されたものと非常によく似た線形関係を示すことになり、暗黒物質が実際に目に見える物質を密接に追跡していることを示唆しています. 「私たちは本質的に彼らの関係に適合しています - かなり上です」とワズリーは言いました.彼と当時学生だった Ben Keller は、McGaugh の論文を見る前にシミュレーションを実行しました。
現在実行中のシミュレーションでは、Wadsley はより大きなボリュームの模擬宇宙を生成して、McGaugh のサンプルの全範囲の銀河タイプに関係が成り立つかどうかをテストしています。もしそうなら、冷たい暗黒物質の仮説は、この難題から安全に見える.暗黒物質と可視物質が銀河で非常に密接に相関する理由について、シミュレーションに基づいて、ナバロと同僚は、銀河形成中に重力と一緒に作用する角運動量に起因すると考えています。
暗黒物質の問題を超えて、銀河シミュレーション コードは改善され続けており、他の未知の事柄について考察しています。 Springel と共同研究者による絶賛され進行中の IllustrisTNG シミュレーション シリーズに、初めて大規模な磁場が含まれるようになりました。 「磁場は、天文学におけるこの幽霊のようなものです」と、銀河のダイナミクスにおいてほとんど理解されていない役割を果たしているベロバリーは説明しました。 Springel は、それらが銀河風に影響を与える可能性があると考えています — 別の謎 — そして、シミュレーションはこれをテストするのに役立ちます.
Hopkins 氏によると、大きな目標は、それぞれが異なる期間または空間スケールに特化した多くのシミュレーションを組み合わせることです。 「やりたいことは、すべてのスケールを並べることです」と彼は言いました。 P>
最近の改善により、いつ「十分」と言うべきかについて哲学的な議論が続いていると研究者は言います。あまりにも多くの天体物理学の付箋をシミュレーションに追加すると、何が原因なのかを判断することがますます難しくなり、最終的にはそれらの有用性が制限されます。 Wadsley が述べたように、「私たちは、実際の宇宙ではなく偽の宇宙を観察しているだけで、それを理解していません。」
この記事は Wired.com に転載されたものです。
