Симуляции Фламинго — это не только крупнейшие, но и наиболее всеобъемлющие симуляции Вселенной, существовавшие с 13,75 миллиардов лет назад до сегодняшнего дня.

Используя один из самых мощных суперкомпьютеров в мире, астрономы провели крупнейшее в истории космологическое моделирование. Моделирование, известное как «Фламинго» , отслеживает рост крупномасштабной структуры Вселенной на протяжении 13,75 миллиардов лет. Сравнивая моделирование с реальными наблюдениями, ученые надеются узнать о фундаментальных свойствах Вселенной, которые определяют ее долгосрочное поведение.

Фоновое изображение показывает современное распределение материи в срезе крупнейшей модели Фламинго, сторона которой составляет 9,1 миллиарда световых лет. Яркость фонового изображения дает современное распределение темной материи, а цвет кодирует распределение нейтрино. На вставках показаны три последовательных увеличения, сосредоточенные на самом массивном скоплении галактик. По порядку эти увеличения показывают температуру газа, плотность темной материи и визуализацию того, как будет выглядеть рентгеновское наблюдение этого скопления.
Джош Борроу / Команда FLAMINGO и Консорциум Virgo / CC BY 4.0

Вскоре после Большого взрыва Вселенная была заполнена почти однородным супом, состоящим из атомов (в основном водорода и гелия), частиц темной материи и почти безмассовых нейтрино. Хотя средняя плотность материи со временем уменьшалась по мере расширения пространства, темная материя, тем не менее, начала слипаться под действием собственной гравитации. Атомы последовали этому примеру, что в конечном итоге привело к тому, что мы наблюдаем сегодня: «космической сети» скоплений и сверхскоплений галактик, каждая галактика содержит миллиарды туманностей, звезд и планет.

Начиная с 1980-х годов астрономы пытались воспроизвести этот процесс с помощью компьютерного моделирования. Благодаря быстрому развитию компьютерных технологий эти симуляции стали еще более подробными как по размеру (сколько пространства моделируется), так и по разрешению (сколько частиц или «элементов» отслеживается). «Фламинго» (замысловатая аббревиатура от «Полногидромасштабное моделирование структур с картированием всего неба для интерпретации наблюдений следующего поколения») на данный момент является самым крупным и сложным проектом.

Международная группа фламинго под руководством Йоопа Шайе (Лейденская обсерватория, Нидерланды) смоделировала эволюцию в расширяющемся объеме космоса — кубе со сторонами длиной 10 миллиардов световых лет. В этом томе они проследили гравитационное скопление не менее 300 миллиардов частиц, каждая из которых имеет массу около 130 миллионов солнечных масс, что эквивалентно средней карликовой галактике.

Моделирование потребовало в общей сложности более 50 миллионов часов компьютерного времени, распределенных по 30 000 процессорам, составляющим суперкомпьютер DiRAC-COSMA8 в Даремском университете в Великобритании. Результаты опубликованы сегодня в трех статьях в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества .

Помимо огромного размера и высокого разрешения, Flamingo отличается от более ранних симуляций тем, что включает в себя гораздо больше, чем только гравитацию. «До сих пор большая часть космологических компьютерных моделей нашей Вселенной была сосредоточена на моделировании только темной материи, поскольку она является основным компонентом материи», — говорит космолог Гуадалупе Каньяс Эррера (ЕКА), которая не участвовала в новой работе.

Однако, объясняет она, хотя «нормальная» барионная материя составляет лишь одну пятую всей массы Вселенной, она может оказывать большое влияние на то, как космическая материя распределяется на небольших расстояниях. Например, галактические ветры, питаемые сверхмассивными черными дырами и взрывами сверхновых, могут остановить рост галактик.

На этих параллельных графиках сравнивается поверхностная плотность газа (слева) и частиц темной материи (справа) в современной Вселенной. Размер этого среза Вселенной составляет 50x50x20 мегапарсек. На вставках увеличен масштаб массивного гало темной материи, в котором может находиться множество галактик.
Шайе и др. / Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества, 2023 г.

«Проект «Фламинго» обеспечивает космологическое моделирование, включая поведение барионов, с использованием гидродинамического подхода», — говорит Каньяс Эррера, имея в виду метод, используемый для описания поведения газовых потоков. Чтобы точно смоделировать такие явления, как галактические ветры, команда откалибровала свои расчеты против существующих наблюдений с использованием машинного обучения .

Более того, «Фламинго» учитывает и поведение космических нейтрино — элементарных частиц с очень маленькой, но ненулевой массой.

Поверхностная плотность нейтрино в срезе современной Вселенной толщиной 70 миллионов световых лет.
Шайе и др. / Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества, 2023 г.

«Во всех отношениях эти симуляции являются самыми современными», — комментирует Коэн Куйкен (Лейденская обсерватория). Куйкен, не принимавший участия в исследованиях, является членом консорциума Евклид, который стоит за недавно запущенным европейским космическим телескопом. Евклид будет измерять трехмерное распределение миллиардов галактик на расстоянии до 10 миллиардов световых лет.

«Евклиду абсолютно необходимы такого рода симуляции», — говорит Куйкен. «Они образуют мост между фундаментальными параметрами Вселенной и наблюдениями, полученными Евклидом».

На данный момент команда Flamingo выполнила 28 слегка отличающихся друг от друга симуляций, корректируя космические параметры, такие как доля темной материи, масса нейтрино, влияние активных галактических ядер (так называемая обратная связь АЯГ) и функция звездных масс, то есть: какой процент звезд попадает в разные диапазоны масс. Сравнивая результаты с реальными наблюдениями, астрономы надеются определить истинные значения этих параметров и свойств.

«Моделирование имеет решающее значение для космологов», — говорит Каньяс Эррера. «Они играют ключевую роль в понимании того, насколько хорошо теоретические модели предсказывают поведение нашей Вселенной».

Одна из причин, почему астрономы так стремятся узнать больше о космической эволюции, заключается в том, что космология сталкивается с двумя неприятными проблемами. Во-первых: текущая скорость расширения Вселенной ( постоянная Хаббла ) выше, чем можно было бы ожидать на основе наблюдений космического микроволнового фона («послесвечения» Большого взрыва). Это несоответствие иногда называют напряжением Хаббла . Во-вторых: Вселенная кажется немного менее комковатой, чем предсказывает стандартная космологическая модель, и эта проблема известна как напряжение S ₈ .

«Чтобы полностью понять , реальны ли напряжения в постоянной Хаббла или в параметре S _{8 [кластеризации], нам нужно убедиться, что в ходе статистического анализа не было внесено никаких отклонений», — говорит Каньяс Эррера.} «Моделирование играет фундаментальную роль в этом отношении».

В своей третьей статье команда Фламинго исследует, могут ли гидродинамические процессы, такие как обратная связь АЯГ, объяснить очевидное напряжение S ₈ . Однако, хотя авторы приходят к выводу, что галактические ветры действительно влияют на крупномасштабную структуру Вселенной, они пишут: «Мы обнаруживаем, что барионные эффекты недостаточно велики, чтобы устранить напряжение S 8 _» . Если также можно исключить неизвестные систематические ошибки в анализе, «тогда интересным выводом будет то, что необходима новая физика […]».

Другими словами: новые симуляции Фламинго могут указывать на то, что что-то не так с нашей любимой стандартной моделью космологии.