パサデナにあるカリフォルニア工科大学の理論天体物理学者であるフィリップ ホプキンスは、同僚にいたずらをするのが好きです。銀河の形成をシミュレートする専門家であるホプキンスは、実際の銀河の写真の隣に彼の作品の画像を投影し、聴衆にそれらを区別することを拒否することから講演を始めることがあります. 「天文学者をだますことさえできます」と、現実的な環境でのフィードバック シミュレーションである FIRE のリーダーであるホプキンスは言います。 「もちろん、モデルが正確であることを保証するものではありませんが、正しい軌道に乗っているかどうかの一種の直感的なチェックです。」
何十年もの間、科学者たちは、観測可能な宇宙にある何兆もの銀河が、ビッグバン後にガスの雲からどのように発生したかをシミュレートしようと試みてきました。しかし、ここ数年で、より高速なコンピューターとより優れたアルゴリズムのおかげで、個々の銀河の詳細と、質量と形状の全体的な分布の両方を正確に捉える結果がシミュレーションから得られるようになりました。ペンシルベニア州ピッツバーグにあるカーネギー メロン大学の数値宇宙学者であり、BlueTides シミュレーションのリーダーである Tiziana Di Matteo は、次のように述べています。
フェイク ユニバースが改善されるにつれて、その役割も変化しています。何十年もの間、情報は一方向に流れていました。実際の銀河を研究している天文学者から、銀河をシミュレートしようとしているモデラーまでです。英国ブライトンにあるサセックス大学の銀河系外天文学者で、BlueTides に取り組んでいる Stephen Wilkins は、現在、洞察は別の方向にも流れており、モデルが天文学者を導くのに役立っていると述べています。 NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡が 2020 年に打ち上げられたときに何が見えるかを予測するために BlueTides を使用している Wilkins 氏は、「これまで、シミュレーションは常に観測に追いつこうとしていました」と述べています。 「これまで観察できなかったものを予測できるようになりました。」
たとえば、これらのモデルは、初期の銀河は奇妙なピクルスの形をしていたこと、非常に薄い渦巻銀河が衝突に直面すると驚くほど頑丈であること、宇宙の進化を説明するには、銀河は天体物理学者よりもはるかにゆっくりと星を形成する必要があることを示唆しています。
シミュレーションはまた、警告音を発します。一部の宇宙論者は、銀河の形成が最終的に、いくつかの基本的な規則によって支配される比較的単純なプロセスであることが判明することを望んでいます。しかし、モデラーは、彼らの偽の宇宙は、成熟した10代の若者のように、銀河が予測不可能であることを示唆していると言います.たとえば、一方が優雅な螺旋に変わり、他方がブロブに進化する理由を説明するのは困難です。 「銀河形成の物理学が信じられないほど厄介であることは、私たちが行ったすべてのことから明らかです」とウィルキンズは言います.
ユニバースを調理する前に、材料を知る必要があります。さまざまな測定から、宇宙学者は宇宙の質量とエネルギーのわずか 5% が恒星や惑星のような通常の物質であると推測しています。別の 26% は謎の暗黒物質で構成されており、これまでのところ、重力を介してのみ相互作用しているように見えます。おそらく未発見の粒子で構成されています。残りの 69% は、空間を引き延ばし、宇宙の膨張を加速させているエネルギーの一種です。その「暗黒エネルギー」は、空間自体の真空の特性である可能性があるため、物理学者はこれを宇宙定数と呼び、ラムダ (Λ) で表します。
宇宙論者は、レシピの基本的な手順も知っています。宇宙は、亜原子粒子の高温で高密度のスープとしてビッグバンで誕生しました。わずか 1 秒以内に、インフレーションと呼ばれる指数関数的な成長スパートが発生し、粒子スープ内の極小の量子ゆらぎが巨大な波紋に引き伸ばされました。ゆっくりと、暗黒物質の密集した領域が独自の重力の下で合体し、宇宙のウェブとして知られる巨大な塊とフィラメントのもつれになりました。暗黒物質の重力に引き寄せられたガスは、ハローとも呼ばれる塊に落ち着き、星と呼ばれる水素の融合ボールに凝縮されました.ビッグバンから 5 億年後までに、最初の銀河が形成されました。次の 130 億年の間に、それらは宇宙の重力潮流に乗って漂い、互いに融合することによって成長しました.
コンピューター シミュレーションは、その理論の開発に役立ちました。 1980年代に彼らは、観測された銀河団を結び付けるのに十分な大きさの塊を形成するために、暗黒物質粒子は動きが遅く、冷たい必要があることを示しました.宇宙定数を仮定する基本理論は、ΛCDM (ΛCDM) として知られるようになりました。理論が洗練されるにつれて、シミュレーションも洗練されてきました。 2005 年までに、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研究者が率いるミレニアム シミュレーションにより、銀河がどのようにクラスター、スレッド、およびシートで空間に散らばっているかに密接に一致する構造の宇宙網のレンダリングが作成されました。
しかし、ミレニアムおよび同様のシミュレーションには、根本的な欠点がありました。彼らは暗黒物質のみの重力相互作用をモデル化しました。これは、科学者が知る限り、暗黒物質は摩擦や抵抗なしにそれ自体を流れるため、シミュレートが容易です。ハローが形成されると、プログラムは特定のアドホック規則に従って、さまざまなサイズと形状の銀河を挿入しました。このようなシミュレーションでは、「基本的な仮定は、銀河がハローを占めており、ハローに何もしていないということです」と、カリフォルニア大学バークレー校 (UC) の宇宙学者である Yu Feng は述べています。 「やり取りはすべて一方通行です。」
現在、モデラーは、通常の物質とそれ自体および暗黒物質との相互作用を含めていますが、これははるかに捉えにくいプロセスです。暗黒物質とは異なり、通常の物質は圧迫されると熱くなり、光やその他の電磁放射を生成して物質を押しのけます。この複雑なフィードバックは、ガス雲が崩壊して輝く星になったり、超新星爆発で星が爆発したり、ブラック ホールがガスを飲み込んで放射線を放出したりするときに、極限に達します。銀河の挙動にとって重要なこのような物理は、流体力学の方程式を使用してモデル化する必要があります。流体力学の方程式は、スーパーコンピューターを使用しても解くのが難しいことで知られています。
一般に、モデラーは、空間をサブボリュームの 3D グリッドに分割するか、暗い物質と通常の物質の塊を粒子の群れに分割することにより、問題を数十億ビットに分割することで問題に取り組みます。次に、シミュレーションは、たとえば百万年単位で宇宙時間を刻みながら、これらの要素間の相互作用を追跡します。計算は、最も強力なスーパーコンピューターでさえ負担になります。たとえば、BlueTides は、アーバナにあるイリノイ大学のスーパーコンピューターである Blue Waters 上で実行され、毎秒 13,000 兆回の計算を実行できます。モデルをロードするだけで、コンピュータの使用可能なメモリの 90% が消費されると Feng 氏は言います。
何年もの間、そのようなシミュレーションは、ガスが多く、巨大で、ぼろぼろの銀河を生み出しました。しかし、コンピューターの処理能力が向上し、さらに重要なことに、放射物質フィードバックのモデルが改善されました。ドイツのハイデルベルク理論研究所の宇宙学者である Volker Springel は、現在、流体力学シミュレーションにより、適切な質量と形状の適切な数の銀河 (渦巻き円盤、しゃがんだ楕円、球状矮星、および奇妙な不規則銀河) が生成され始めていると述べています。 Millennium で Illustris シミュレーションをリードしています。 「最近まで、シミュレーション分野は渦巻銀河を作るのに苦労していました」と彼は言います。 「あなたがそれらを作ることができることを示したのは、過去 5 年間だけです。」
ホプキンス氏によると、モデルは、人間と同様に、銀河が異なるライフステージを経る傾向があることを示しています。若いとき、銀河は活発に渦巻いており、合体が次々と引き伸ばされてゆがみ、星形成の噴出が引き起こされます。数十億年後、銀河は比較的穏やかで安定した中世に落ち着く傾向があります。その後、ガスを失い、星を作る能力を失い、老化に陥る可能性さえあります。これは、私たちの天の川が現在行っているように見えるとホプキンス氏は言います。しかし、思春期の乱暴で暴力的な変化により、銀河の特定の進路を予測するのが難しくなっている、と彼は言います。
シミュレーションは完璧には程遠いです。シミュレーションは、超新星や銀河の中心ブラックホールからの風や放射など、そのスケールでのフィードバック効果の重要性を指摘しているにもかかわらず、個々の星のモデル化に近づくことはできません.代わりに、各グリッド要素または粒子は、シミュレーションの解像度に応じて、数百から数百万の星とガスの太陽質量を表します。次に、研究者はアドホックな「サブグリッド」ルールを使用して、そのすべての材料が平均してどのように動作するかを記述します。ヘブライ大学エルサレムの宇宙学者であり、VELA シミュレーションのリーダーである Avishai Dekel は、「まるで、曇ったメガネを通して、完全には見えないこの形を説明しようとしているようなものです」と述べています。
銀河形成の物理学が信じられないほど厄介であることは、私たちが行ったことすべてから明らかです.
- Stephen Wilkins、サセックス大学
これらのアドホック ルールには、さまざまな質量の銀河の集計など、研究者が宇宙の既知の特徴を再現するために調整する数十のパラメーターが含まれています。その調整は、モデルが現実を説明するのか、それとも絵画のように単に模倣するのかという問題を提起します.しかし研究者は、チューニングに大きく依存する予測を避ける限り、モデルは信頼できるはずだと述べています。 「サブグリッドの処方箋から逃れるつもりはありません。方法はありません」と Di Matteo 氏は言います。 「しかし、これはある種の魔法ではありません。それでも物理学です。」
これらのモデルは、長年にわたって信じられてきたいくつかの仮説をすでに覆しています。たとえば、天体物理学者は、天の川銀河のような 2 つの繊細な円盤銀河が衝突して合体すると、その過程で 1 つの塊状の楕円銀河になると信じていました。しかし、モデルは、渦巻銀河が十分なガスを保持している場合、予想よりも頑丈であることを示しています。 「ディスクは部分的に存続し、非常に迅速に回復します」と Springel 氏は言います。その発見は大きな驚きでした、とホプキンスは言います。
銀河の大きさを決定するものについての通常の説明も覆されたと、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天文学者で VELA の研究者であるサンドラ フェイバーは言います。天体物理学者は、銀河のサイズはそれを包む暗黒物質のハローのスピンによって決定され、回転の速いハローがより大きく、より拡散した銀河を生み出すと考えていた、と彼女は言う。しかし、シミュレーションではそのような関係は示されていない、と彼女は付け加えます。 「私たちは今途方に暮れています」とフェイバーは言います。 「大きな銀河が大きく、小さな銀河が小さい理由は何ですか?」
生まれたばかりの銀河の形は、別の驚きをもたらします。今日のほとんどの銀河は、平らな球体のように、球形または扁平形です。楕円形は、石鹸の丸いケーキのように厚いです。ディスクははるかに平らです。しかし、これらのモデルは、宇宙の初期に出現した銀河は幅よりも長かったと予測している、と Faber は言う。 「それらはピクルスです」と彼女は言います。 「あなたはガスからピクルスを作ろうとします。それは簡単ではありません。」 NASA のハッブル宇宙望遠鏡は、これらのピクルス型の銀河の例を見つけ始めたと彼女は言います.
モデルは、観察者が見つけようとする他の微妙な現象を予測します。たとえば、天体物理学者は、ガスが成長中の銀河にあらゆる方向から均等に流れ込むと想定していました。しかしシミュレーションでは、ガスが冷たい流れとなって銀河に流れ込み、暗黒物質のフィラメントに沿って流れ、そのハローを宇宙のウェブに接続していることをデケルは示している、と Dekel は言う。チリの 66 個のラジオ パラボラ アンテナである Atacama Large Millimeter/submillimeter Array を持つ観測者は、ストリームの証拠を求めて宇宙をのぞき始めました。
大小のシミュレーション
シミュレーションは、ΛCDM の基本理論をテストすることも目的としています。実際の銀河とシミュレートされた銀河を比較することで、研究者は暗黒物質が重力によってのみ相互作用するという仮説を検証できます。矛盾は新しい相互作用を示し、素粒子理論家が暗黒物質とは何かを理解するのに役立つ可能性があります。
これまでのところ何も確認されていませんが、新しいシミュレーションでは、観測と以前の暗黒物質のみのシミュレーションとの間の不一致が修正されています。たとえば、20 年前のシミュレーションでは、大きな暗黒物質の暈の周りに小さな暗黒物質の暈の群れが生成されました。これは、私たちの天の川のような銀河が何百もの矮小衛星銀河に囲まれているはずであることを示唆しています。しかし、発見されたのはごくわずかでした。この赤字は、衛星行方不明問題と呼ばれていました。
しかし、通常の事柄を混ぜると、予測が変わります。暗い物質と通常の物質の間の重力による押し引きは、物事を滑らかにし、小さなハローの数を減らします.出現するものでは、超新星によって巻き上げられた風がハローの比較的弱い引力を圧倒してガスを吹き飛ばし、原材料のハローを飢えさせてより多くの星を作り、発生期の銀河を消し去る傾向があります。このプロセスと、天の川を取り囲む 59 個の矮小銀河を観測者が発見したという事実を組み合わせると、観測とシミュレーションの間の断絶はほとんどなくなる、と Springel は言う。 「行方不明衛星の問題はもはや問題ではないと思います」と彼は言います。
同様に、以前のシミュレーションでは、暗黒物質の濃度がハローの中心で急激にピークに達するはずであることが示唆されていました。しかし、近くの矮小銀河の星の速度は、それらの中心部で暗黒物質がより大きな体積に滑らかに広がっていることを示しています。新しいシミュレーションは、星の重力効果が暗黒物質をどのようにかき混ぜて拡散させるかを捉えているため、その詳細を正確に把握しています。 「星が質量のごく一部であっても、ハローを本当に揺るがします」とホプキンスは言います。
おそらく、これまでのシミュレーションの最大の教訓は、科学者が宇宙論の包括的な理論を修正する必要があるということではなく、より小さなスケールでの天体物理学の理解に問題が潜んでいるということです。特に、彼らの星形成の理論が不足している、とシュプリンゲルは言う。現実的な銀河を作るために、モデラーはガスの雲が星を形成する速度を、天体物理学者が予想する速度から大幅に減らさなければならない、と彼は言います。 「基本的に、分子雲はあなたが思っているよりも 100 倍遅く星を形成します」と彼は言います。
おそらく、超新星と超大質量ブラックホールからのフィードバックが銀河からガスを追い出すため、星形成のフラグが立てられます。残念ながら、これらのプロセスは小さすぎてシミュレーションで解決できません。モデル作成者が超新星のエネルギーをより大きなグリッド要素に蓄積すると、多くのことは起こりません。風を発生させる代わりに、エネルギーは放射するだけです。同様に、研究者は、ブラック ホールがガスを食べて X 線を放射する適切な方法をシミュレートすることはできません。これらの天体物理学の重要な部分を捉えるために、モデラーは手動で調整するアドホック サブグリッド処方箋に頼る必要があります。
シミュレーターは、このような大雑把な仮定を、よりしっかりとした物理学に基づいたモデルに置き換えたいと考えています。それを行うために、彼らは、わずか数光年幅の分子雲からの星の誕生、さらには個々の星の進化をシミュレートする、はるかに細かく分解されたモデルに取り組んでいる天体物理学者の助けを求めることを望んでいます.これらの小規模なモデルは、それ自体が進行中の作業です。たとえば、超新星爆発をモデル化する天体物理学者は、仮想恒星時限爆弾を爆発させるのにまだ苦労しています。
それにもかかわらず、プリンストン大学の天体物理学者で星間ガスのモデルを作成している Eve Ostriker は、銀河シミュレーションをより健全な基盤に置く手助けをしたいと熱望している. 「これに対する私の関心は、調整をいくつかの物理学に置き換えて、「OK、これがそれであり、調整は許可されていません」と言うことです」と彼女は言います.希望は、ファッジファクターの必要性を最小限に抑える方法で、さまざまなサイズスケールからの結果をつなぎ合わせることである、と研究者は言う. 「あなたが望むのは、縮尺の全範囲にわたって首尾一貫してつなぎ合わされた写真です」とホプキンスは言います.
最終的に、一部の研究者は、観測とシミュレーションを通じて、銀河がどのようにその形状と特性を得るかを説明できる統一された物語を開発したいと考えています.ファーバーは極端な立場を取って、すべての銀河が最終的に分類され、質量と半径という 2 つのパラメーターだけで説明されると予測しています。 「それを簡単にする銀河の法則が今発見されたばかりです。」
しかし、多くの銀河モデラーは、レシピは常に複雑で不確実であると考えています.銀河の形成は天気のようなものかもしれませんが、その混沌とした性質のために、正確な予測を永遠に手の届かないところに置いていると、Springel は言います。 「全体像は理解できても、詳細は理解できないのではないかと少し心配です」と彼は言います。その場合、銀河シミュレーションのリアリズムの高まりは、宇宙の根本的な複雑さを強調するのに役立つだけかもしれません.
