Een enorme kosmische simulatie wikkelt zich rond en herschept meer van het universum

Er is een oude grap onder sterrenkundestudenten over een vraag op het eindexamen voor een kosmologieklas. Het ziet er zo uit: “Beschrijf het universum en geef drie voorbeelden.” Welnu, een team van onderzoekers in Duitsland, de Verenigde Staten en het Verenigd Koninkrijk heeft een grote stap gezet om ten minste één nauwkeurig voorbeeld te geven van hoe het universum eruit ziet.

Om dit te doen, gebruikten ze een reeks simulaties genaamd “MillenniumTNG”. Het volgt de accumulatie van sterrenstelsels en de kosmische structuur door de tijd heen. Het biedt ook een nieuwe kijk op het standaard kosmologische model van het universum. Het is het nieuwste op het gebied van kosmologische simulaties en sluit aan bij ambitieuze inspanningen als het AbacusSummit-project van twee jaar geleden.

Dit simulatieproject houdt rekening met zoveel mogelijk aspecten van kosmische evolutie. Het maakt gebruik van simulaties van gewone (baryonische) materie (wat we in het universum zien). Het omvat ook donkere materie, neutrino’s en donkere energie waarvan de mechanismen voor het vormen van het universum nog onduidelijk zijn. Dit is een lang verzoek.

Universum simulatie

Meer dan 120.000 computercentra bij SuperMUC-NG in Duitsland gingen aan de slag met de data voor MillenniumTNG. Dit werd gevolgd door de vorming van ongeveer honderd miljoen sterrenstelsels in een ruimtegebied met een diameter van ongeveer 2.400 miljoen lichtjaar. Toen ging Cosma8 in Durham aan de slag met het berekenen van een universum dat groter was dan de grootte, maar gevuld met een biljoen gesimuleerde donkere materiedeeltjes en nog eens 10 miljard die de actie van enorme neutrino’s volgden.

Het resultaat van dit aantal crunches was een gesimuleerd deel van het universum dat de samenstelling en verdeling van sterrenstelsels weerspiegelt. De grootte was groot genoeg dat kosmologen het konden gebruiken om aannames over het hele universum en zijn geschiedenis te extrapoleren. Ze kunnen het ook gebruiken om te zoeken naar “scheuren” in het standaard kosmologische model van het universum.

Kosmologisch model en voorspelling

Kosmologen hebben dit basismodel dat ze voorstellen om de evolutie van het universum te verklaren. Het gaat zo: het universum heeft verschillende soorten materie. Er is gewone baryonische materie, waar wij allemaal van gemaakt zijn, sterren, planeten en sterrenstelsels. Het is iets minder dan 5% van het “spul” van het universum. De rest is donkere materie en donkere energie.

De kosmologische gemeenschap noemt deze vreemde reeks kosmische omstandigheden het “cold Lambda dark matter” (LCDM, kortweg) model. Het beschrijft eigenlijk heel goed het universum. Er zijn echter enkele inconsistenties. Dit is wat simulatie zou moeten helpen oplossen. Het model is gebaseerd op gegevens uit een grote verscheidenheid aan bronnen, waaronder kosmische microgolfstraling tot het ‘kosmische web’, waar sterrenstelsels zijn gerangschikt langs een ingewikkeld web van filamenten van donkere materie.

Wat nog ontbreekt is een goed begrip van wat donkere materie precies is. En voor donkere energie is het een uitdaging. En astrofysici en kosmologen proberen de LCDM en het bestaan ​​van twee grote onbekenden beter te begrijpen. Dat vereist veel gevoelige nieuwe waarnemingen van astronomen. Aan de andere kant van de medaille hebben ze ook meer gedetailleerde voorspellingen nodig van wat het LCDM-model eigenlijk suggereert. Het is een grote uitdaging en het is wat de grote simulaties van MillenniumTNG drijft. Als kosmologen het universum met succes kunnen simuleren, kunnen ze die simulaties gebruiken om te helpen begrijpen wat er ‘in het echte leven’ gebeurt. Dit omvat eigenschappen van sterrenstelsels in zowel het moderne als het zeer vroege universum.

De trends van sterrenstelsels in het universum begrijpen en voorspellen met behulp van MillenniumTNG

De MillenniumTNG-simulaties volgen de eerdere simulatieprojecten genaamd “Millennium” en “IllustrisTNG”. Deze nieuwere groep biedt een hulpmiddel om te wijzen op enkele hiaten in hun begrip van zaken als de evolutie en vormen van sterrenstelsels (of morfologie).

Astronomen weten al lang van iets dat ‘intrinsieke galactische uitlijning’ wordt genoemd. Dit is eigenlijk een neiging van sterrenstelsels om hun vormen in vergelijkbare richtingen te oriënteren, om redenen die niemand volledig begrijpt.

Het blijkt dat zwakke zwaartekrachtlenzen invloed hebben op hoe we de uitlijning van sterrenstelsels zien. MillenniumTNG-simulaties zouden astronomen in staat kunnen stellen dergelijke uitlijningen in de “echte wereld” te meten met behulp van gesimuleerde uitlijningen. Dit is een enorme stap voorwaarts, vindt teamlid Ana Maria Delgado. “Misschien kan onze bepaling van de intrinsieke uitlijning van de richtingen van sterrenstelsels helpen bij het oplossen van de huidige discrepantie tussen de amplitude van clustermaterie die wordt afgeleid uit de zwakke lenswerking en de kosmische microgolfachtergrond,” zei ze.

verleden klinken

Net als bij andere gebieden van de kosmologie, onderzoekt de MillenniumTNG-groep het zeer jonge universum door middel van simulaties. Dit is de tijd na het tijdperk van reïonisatie, toen de eerste sterren al helder schenen en de eerste sterrenstelsels evolueerden. Sommige van die vroege sterrenstelsels zijn erg groot, wat buiten de context van het jonge universum lijkt te vallen. Ze zijn gezien door de James Webb Space Telescope (JWST) en de vraag blijft: hoe zijn ze zo enorm geworden in zo’n korte tijd na de oerknal?

De MillenniumTNG-simulatie lijkt deze neiging van sommige vroege sterrenstelsels na te bootsen om in korte tijd exponentieel te groeien. Meestal zou dit ongeveer 500 miljoen jaar na de oerknal zijn. Dus, waarom zijn deze sterrenstelsels zo enorm? Astronoom Rahul Kannan biedt een paar ideeën om dit te verklaren. “Misschien was de vorming van sterren kort na de oerknal efficiënter in vergelijking met latere tijden, of zijn er in die tijd massieve sterren met hogere snelheden gevormd, waardoor deze sterrenstelsels ongewoon helder zijn”, legt hij uit.

Nu de JWST naar eerdere tijden in de kosmische geschiedenis kijkt, zal het interessant zijn om te zien of de simulaties voorspellen wat het vindt. Keenan suggereert dat er een kloof kan zijn tussen het echte universum en de simulatie. Als dat gebeurt, zal het voor kosmologen een andere verbijsterende vraag stellen over de vroegste tijdperken van de kosmische geschiedenis.

De toekomst van gesimuleerde en echte verkenning van het universum

De komende decennia van kosmologische studies zullen veel baat hebben bij simulaties zoals de Millennium TNG. Simulaties zijn echter slechts zo goed als de gegevens die ze ontvangen en de aannames die hun wetenschappelijke teams maken. MillenniumTNG profiteert van enorme databases met informatie, evenals de mogelijkheden van supercomputers om zijn gegevens te verwerken. Volgens de hoofdonderzoeker van het team, professor Volker Sprengel van het Max Planck Instituut, zijn simulaties die meer dan 3 petabyte aan gegevens hebben gegenereerd een grote aanwinst voor de kosmologie.

“MillenniumTNG combineert recente ontwikkelingen in simulaties van de vorming van sterrenstelsels met het veld van grootschalige kosmische structuur, waardoor een verbeterde theoretische modellering van de verbinding van sterrenstelsels met de donkere materie-ruggengraat van het universum mogelijk is”, zei hij. “Dit zou erg nuttig kunnen zijn voor het stellen van belangrijke vragen in de kosmologie, zoals hoe de massa van neutrino’s beter kan worden beperkt door grootschalige structuurgegevens.”

Zijn voorspellingen komen zeker overeen met de doelstellingen van het MillenniumTNG-project. De teams bouwen voort op het succes van het IllustrisTNG-project, dat hydrodynamische simulaties uitvoerde naast de millenniumsimulatie met alleen donkere materie die bijna tien jaar geleden werd gemaakt. De simulaties van het team zijn gebruikt om een ​​aantal verschillende galactische onderwerpen te bestuderen. Ze omvatten de aggregatie van materie en halo’s van sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en hun verspreiding, modellen van de vorming van sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels in het vroege universum, die intrinsieke uitlijningen van sterrenstelsels en andere gerelateerde onderwerpen. Hoewel ze misschien niet in staat zijn om het universum volledig te definiëren (en drie voorbeelden te geven), boekt het MillenniumTNG-team enorme vooruitgang in het begrijpen van de oorsprong en evolutie ervan.

voor meer informatie

Op zoek naar scheuren in het standaard kosmologische model
MillenniumTNG Project-webpagina