Используя суперкомпьютеры и специально разработанные алгоритмы, группе исследователей под руководством Университета Хельсинки удалось создать симуляцию всей эволюции космоса, от Большого взрыва до наших дней. Затем ученые сравнили эту виртуальную вселенную с серией экспериментальных наблюдений. Это было сделано для того, чтобы как можно правдоподобнее передать положение и свойства наиболее известных космических структур.
Симуляция называется SIBELIUS-DARK и является частью проекта Simulation Beyond the Local Universe (SIBELIUS). Это крупнейшее и наиболее полное на сегодняшний день виртуальное представление Вселенной. Это позволило обнаружить, что местная Вселенная, ближайшая к нам, весьма необычна. Действительно, SIBELIUS-DARK предсказывает в среднем меньше галактик, чем мы видим, из-за локальной недостаточной плотности крупномасштабной материи. Этот результат может иметь последствия для наших стандартных интерпретаций галактик и других массивных объектов.
SIBELIUS-DARK охватывает объем до расстояния 600 миллионов световых лет от Земли (200 мегапарсек) и представлен более чем 130 миллиардами смоделированных частиц. Для этого требуется, чтобы многие тысячи компьютеров работали в тандеме в течение нескольких недель и производили огромное количество данных. Для этого ученые использовали DiRAC Cosmology MACchine (COSMA), управляемый Институтом вычислительной космологии Даремского университета.
Космологические симуляции, разработанные командой, в которую входят ученые из Даремского университета, используют соответствующие физические уравнения для описания того, как темная материя и космический газ эволюционируют в течение жизни Вселенной.
Темная материя — это гипотетическая форма материи, отличная от обычной материи, которую мы уже знаем, и которая, как считается, составляет большую часть всей материи во Вселенной. По-видимому, она образует скопления, называемые гало, которые со временем становятся достаточно большими, чтобы вместить галактики, подобные нашему Млечному Пути. На самом деле, гало гравитационно притягивают окружающий газ. Этот газ распадается на звезды, которые собираются вместе и образуют галактики.
За последние 20 лет космологи разработали стандартную космологическую модель (теория Lambda-CDM, модель холодной темной материи), которая может объяснить многие наблюдаемые астрономические данные. К ним относятся свойства остаточного тепла Большого взрыва (космический микроволновый фон), а также количество и пространственное распределение галактик, наблюдаемых сегодня.
Результаты SIBELIUS-DARK не противоречат стандартной космологической модели. Однако они могут породить важные последствия для нашей интерпретации его и экспериментальных данных.
Симуляции, проводимые в рамках проекта SIBELIUS с использованием COSMA, на самом деле больше одной. Используя передовые алгоритмы, симуляции обусловлены воспроизведением местной Вселенной, таким образом, содержащей современные структуры в окрестностях нашей галактики, которые астрономы наблюдали на протяжении десятилетий. Например, скопления галактик Девы, Комы и Персея, Великая стена и Локальную пустоту.
В центре симуляции находится, пожалуй, самая важная структура — пара галактик, виртуальных аналогов нашего Млечного Пути и ближайшей к нам галактики Андромеды.
Профессор фундаментальной физики Огден из Института вычислительной космологии Даремского университета Карлос Френк сказал:
«Это захватывающе — видеть, как знакомые структуры, которые, как мы знаем, существуют вокруг нас, появляются в результате компьютерных расчетов. Моделирование просто показывает последствия действия законов физики на темную материю и космический газ в течение 13,7 миллиарда лет существования нашей Вселенной. Тот факт, что мы смогли воспроизвести эти знакомые структуры, обеспечивает впечатляющую поддержку стандартной модели холодной темной материи и говорит нам о том, что мы находимся на правильном пути к пониманию эволюции всей Вселенной«.
Проект SIBELIUS является поистине революционным. Это особенно важная проверка законов физики в том виде, в каком они были придуманы, открыты, развивались и переплетались с течением времени. Многие из наших теорий обретают форму и подтверждают свою истинность.
Результаты моделирования SIBELIUS-DARK были опубликованы в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), с ними можно ознакомиться .