Astronomen voeren de grootste kosmische computersimulatie ooit uit

Een internationaal team van astronomen heeft naar verluidt de grootste kosmologische computersimulatie ooit uitgevoerd, waarbij niet alleen donkere materie wordt gevolgd, maar ook reguliere materie (zoals planeten, sterren en sterrenstelsels), waardoor we een kijkje kunnen nemen in de manier waarop het universum is geëvolueerd.

Flamingo’s simulaties berekenen de evolutie van alle componenten van het universum – gewone materie, donkere materie en donkere energie – volgens de wetten van de natuurkunde. Naarmate de simulatie vordert, verschijnen virtuele sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. drie Bladeren Het is geweest gepubliceerd in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical SocietyEén beschrijft de methoden, één presenteert de simulaties, en de derde onderzoekt hoe goed de simulaties de grootschalige structuur van het universum reproduceren.

Faciliteiten zoals de onlangs gelanceerde Euclid Space Telescope van de European Space Agency (ESA) en NASA’s JWST verzamelen enorme hoeveelheden gegevens over sterrenstelsels, quasars en sterren. Simulaties zoals FLAMINGO spelen een sleutelrol in de wetenschappelijke interpretatie van gegevens door voorspellingen uit theorieën over het universum te koppelen aan waargenomen gegevens.

Volgens de theorie worden de eigenschappen van ons hele universum bepaald door een paar getallen die ‘kosmologische parameters’ worden genoemd (zes daarvan in de eenvoudigste versie van de theorie). De waarden van deze parameters kunnen op verschillende manieren zeer nauwkeurig worden gemeten.

Eén zo’n methode is gebaseerd op de eigenschappen van de kosmische microgolfachtergrond (CMB), een zwakke achtergrondgloed die overblijft uit het vroege heelal. Deze waarden komen echter niet overeen met die gemeten met andere technieken die afhankelijk zijn van de manier waarop de zwaartekracht van sterrenstelsels licht buigt (lensing). Deze ‘spanningen’ zouden de ondergang kunnen betekenen van het standaardmodel van de kosmologie, het model van de koude donkere materie.

Computersimulaties kunnen mogelijk de oorzaak van deze spanningen onthullen, omdat ze wetenschappers kunnen informeren over mogelijke vertekeningen (systematische fouten) in metingen. Als geen van deze redenen voldoende is om de spanningen te verklaren, zit de theorie echt in de problemen.

Tot nu toe volgen de computersimulaties die worden gebruikt om waarnemingen te vergelijken alleen koude donkere materie. “Hoewel donkere materie de zwaartekracht domineert, kan de bijdrage van gewone materie niet langer worden verwaarloosd, omdat die bijdrage vergelijkbaar kan zijn met afwijkingen tussen modellen en waarnemingen”, zegt onderzoeksleider Job Schaie (Universiteit Leiden).

De eerste resultaten laten zien dat zowel neutrino’s als gewone materie nodig zijn om nauwkeurige voorspellingen te kunnen doen, maar ze nemen de spanningen tussen verschillende kosmologische waarnemingen niet weg.

Simulaties die ook gewone baryonische materie volgen (ook wel baryonische materie genoemd) zijn moeilijker en vereisen veel meer rekenkracht. Dit komt omdat gewone materie – die slechts zestien procent van alle materie in het universum uitmaakt – niet alleen zwaartekracht ervaart, maar ook gasdruk, waardoor materie door actieve zwarte gaten en supernova’s ver de intergalactische ruimte in kan worden geblazen.

De kracht van deze intergalactische winden hangt af van explosies die plaatsvinden in het interstellaire medium, en ze zijn erg moeilijk te voorspellen. Bovendien is de bijdrage van neutrino’s, subatomaire deeltjes met een zeer kleine massa maar niet precies bekend, ook belangrijk, maar hun beweging is nog niet gesimuleerd.

Astronomen hebben een reeks computersimulaties voltooid om de samenstelling van de structuur van donkere materie, gewone materie en neutrino’s te volgen. Ph.D. “Het effect van de galactische wind werd gekalibreerd met behulp van machinaal leren, door voorspellingen uit veel verschillende simulaties van relatief kleine schaal te vergelijken met de waargenomen massa’s van sterrenstelsels en de gasverdeling in clusters van sterrenstelsels”, legt student Roy Coghill (Universiteit Leiden) uit.

De onderzoekers simuleerden het model dat de kalibratiewaarnemingen het beste beschrijft met behulp van een supercomputer met verschillende kosmische afmetingen en met verschillende resoluties. Bovendien varieerden ze modelparameters, waaronder de sterkte van de galactische wind, de massa van neutrino’s en kosmologische parameters in simulaties van iets kleinere maar nog steeds grote volumes.

De grootste simulatie maakt gebruik van 300 miljard resolutie-elementen (deeltjes met de massa van een klein sterrenstelsel) in een kubusvolume waarvan de randen tien miljard lichtjaar verwijderd zijn. Aangenomen wordt dat dit de grootste kosmologische computersimulatie van gewone materie ooit is. “Om deze simulatie mogelijk te maken, hebben we een nieuwe code ontwikkeld, SWIFT, die het rekenwerk efficiënt verdeelt over meer dan 30.000 CPU’s”, zegt Matthieu Schaller van de Universiteit Leiden.

FLAMINGO-simulaties openen een nieuw virtueel venster op het universum dat zal helpen het beste uit kosmologische waarnemingen te halen. Daarnaast creëert de grote hoeveelheid (virtuele) data mogelijkheden om nieuwe theoretische ontdekkingen te doen en nieuwe data-analysetechnieken, waaronder machine learning, te testen.

Met behulp van machine learning kunnen astronomen vervolgens voorspellingen doen voor willekeurige hypothetische universums. Door ze te vergelijken met observaties van grootschalige structuren, kunnen ze de waarden van kosmologische parameters meten. Bovendien kunnen ze de bijbehorende onzekerheden kwantificeren door vergelijking met waarnemingen die de invloed van galactische winden beperken.