天体物理学者と宇宙学者は、宇宙の進化を個々の銀河の形成に至るまで、これまでで最も詳細にモデル化しました。巨大なコンピューター シミュレーションの結果は、大規模な銀河団内の銀河の分布から、大小の銀河内の中性水素ガスの量に至るまで、複数の天文学的観測とうまく一致しています。この調査結果は、宇宙の基本的な構成要素とその進化方法に関する宇宙論者の標準理論を再びきちんと確認しています。この結果は、解決すべき新しいパズルを期待している研究者を失望させる可能性があります。
「これは途方もない進歩です」と、英国ダラム大学の宇宙学者で、競合する研究に取り組んでいるカルロス・フレンクは言います。 「詳細を処理するためのツールがあるため、自然界の物理学に対処する方法が変わります。」しかし、ある一流の研究者は、新しい研究だけがすべてではないと主張しています。
10 年余りの間、宇宙学者と天体物理学者は、宇宙の正確なレシピを知っていました。ビッグバンの残光や宇宙マイクロ波背景放射、銀河の分布などの研究から、宇宙は星や人などの通常物質が5%、重力などの謎に包まれた暗黒物質が27%で構成されていることが判明しました。銀河をまとめ、68% の宇宙を引き伸ばす奇妙な暗黒エネルギーが、宇宙の膨張を加速させています。
そのレシピを考えると、研究者は宇宙の進化をシミュレートすることができました。特に、2005 年にフレンクを含むヨーロッパの研究者はミレニアム シミュレーションを開発しました。これは、宇宙の時代に暗黒物質がどのように独自の重力によって「宇宙の網」の中で巨大な塊とストランドに融合したかを追跡したものです。通常の物質が塊に落ち着き、星や銀河を生み出しました。ミレニアム シミュレーションは、実際の銀河のサイズ分布と、銀河が宇宙全体に散らばっている様子を統計的に一致させました。この結果は、ΛCDM (「ラムダ CDM」と発音) として知られる宇宙論者の理論の主張を大いに支持しました。
しかし、ミレニアム シミュレーションにも限界があったと、ケンブリッジにあるマサチューセッツ工科大学の天体物理学者 Mark Vogelsberger は述べています。それは、ダークマターウェブの進化だけを実際に追跡したからです。通常の物質と銀河は、個々の銀河のより詳細なシミュレーションから得られたアドホック ルールを使用して、最後にのみウェブに挿入されました。このようなアプローチは、半解析的モデリングとして知られています。現在、Vogelsberger とその同僚は、水素ガスの形で通常の物質を最初から組み込むシミュレーションを開発することにより、そのアプローチを超えて一歩踏み出し、Nature で今日オンラインで報告しています .
Illustris として知られるこの新しいシミュレーションは、一辺が約 3 億 5000 万光年の宇宙の立方体の塊の進化を追跡し、最終的に 41,416 個の銀河を含みます。このモデルは非常に要求が厳しいため、1 台のデスクトップ コンピューターで実行するには 2000 年かかります。 Illustris とその前身との違いは、新しいシミュレーションから作成された Vogelsberger と同僚のアニメーションで際立っています。ミレニアムは比較的穏やかな宇宙網しか示していませんが、イラストリスには爆発がたくさんあります。銀河の中心部にある超大質量ブラック ホールの周囲から発生する高温ガスの爆発です。このような流出は、銀河から水素ガスを吹き飛ばして星の形成を遅らせたり止めたりすることができるため、銀河の形成にとって非常に重要です。
新しいシミュレーションが私たちが知っている宇宙を再現することを実証するために、Vogelsberger と同僚は、銀河や銀河間ガス雲のヘリウムよりも重い元素の存在量など、多くの重要な観測量を再現できることを示しています。 「結論として、私たちは銀河形成についてかなりよく理解していると考えており、ΛCDM は基本的に正しいと考えています」と Vogelsberger は言います。
Illustris は、宇宙全体の代表的なパッチをモデル化するのに十分な大きさでありながら、個々の銀河を追跡するのに十分な詳細を備えた最初のシミュレーションであると、ドイツのガルヒングにあるマックス プランク天体物理学研究所の宇宙学者であり、ミレニアム シミュレーションにも取り組んだ Simon White は述べています。 . 「新しいのは、これら 2 つの組み合わせです」と彼は言います。
しかし、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の宇宙論者であるジョエル・プリマックは、開発者が新しい作品を売り過ぎていると主張しています。 Illustris は、ガスを大規模にモデル化することで重要な一歩を踏み出しましたが、たとえば超大質量ブラック ホール自体を直接モデル化する解像度がまだ不足していると彼は言います。そのため、そのような詳細を説明するためにまだ半分析的ルールを使用している、と彼は言います。 「現場にいない人々は誇大宣伝を読んで、自分たちがしていることは革命的であり、それをしていない人々は船に乗り遅れていると誤解されています」とプリマックは言います. 「そして、それは間違っています。」
最終的に、新しいシミュレーションはその有用性によって判断される可能性があります。宇宙時間を通じて特定の種類の天体の進化をたどったり、観測者が最終的に振り返って最古の銀河を数えたときに何を見るかを予測したりするために使用できると、ダーラムのフレンクは言います。シミュレーションが失敗する場所です イェール大学の天体物理学者であるマーラ・ゲハは、それが最も実り多いというデータと一致するように注意しています。たとえば、Illustris は、より小さな銀河の星は、観測が示すよりも早く形成されることを示唆しているようです。 「極限状態では機能しない星形成の何かがあるので、それがすべてではありません」と彼女は言います。 「それは興味深いですね。」
(ビデオ クレジット:Illustris コラボレーション)
