Et team af astrofysikere har netop givet 8 millioner unikke universer i en supercomputer og lade dem udvikle sig fra bare tots til gamle geezers. Deres mål? At negle den rolle, et usynligt stof kaldet mørkt stof spillede i vores universets liv siden Big Bang, og hvad det betyder for vores skæbne.
Efter at have opdaget, at vores univers for det meste er sammensat af mørkt stof i slutningen af 1960'erne, har forskere spekuleret om dets rolle i dannelsen af galakser og deres evne til at føde nye stjerner over tid.
Ifølge Big Bang-teorien, ikke længe efter at universet blev født, har en usynlig og undvigende stoffysikere døbt mørkt stof begyndt at klumpe sig sammen af tyngdekraften i massive skyer kaldet mørkstofhaloer. Da haloerne voksede i størrelse, tiltrakkede de den sparsomme brintgas, der permitterer universet til at komme sammen og danne de stjerner og galakser, vi ser i dag. I denne teori fungerer mørkt stof som rygraden i galakser og dikterer, hvordan de dannes, flettes og udvikler sig over tid.
For bedre at forstå, hvordan mørkt stof formede denne univershistorie, oprettede Peter Behroozi, en adjunkt i astronomi ved University of Arizona, og hans team sine egne universer ved hjælp af skolens supercomputer. Computerens 2.000 processorer arbejdede uden pause i en periode på tre uger for at simulere mere end 8 millioner unikke universer. Hvert univers adlød individuelt et unikt sæt regler for at hjælpe forskere med at forstå forholdet mellem mørk stof og galaksenes udvikling.
"På computeren kan vi oprette mange forskellige universer og sammenligne dem med den faktiske, og det giver os mulighed for at udlede, hvilke regler der fører til den, vi ser," sagde Behroozi i en erklæring.
Mens tidligere simuleringer har fokuseret på modellering af enkeltgalakser eller generering af mockunivers med begrænsede parametre, er UniverseMachine den første af dens rækkevidde. Programmet skabte kontinuerligt millioner af universer, der hver indeholdt 12 millioner galakser, og fik hver mulighed for at udvikle sig over næsten hele historien om det virkelige univers fra 400 millioner år efter Big Bang til i dag.
"Det store spørgsmål er, 'Hvordan dannes galakser?'" Sagde studieforsker Risa Wechsler, professor i fysik og astrofysik ved Stanford University. ”Det virkelig seje ved denne undersøgelse er, at vi kan bruge alle de data, vi har om galakseudviklingen - antallet af galakser, hvor mange stjerner de har, og hvordan de danner disse stjerner - og sætte det sammen til et omfattende billede af det sidste 13 milliarder år af universet. "
Oprettelse af en kopi af vores univers eller endda af en galakse ville kræve en uforklarlig mængde computerkraft. Så Behroozi og hans kolleger indsnævrede deres fokus til to vigtige egenskaber ved galakser: deres samlede masse af stjerner og den hastighed, hvormed de føder nye.
"Simulering af en enkelt galakse kræver 10 til den 48. computeroperation," forklarede Behroozi og henviste til en octillion-operation eller en 1 efterfulgt af 48 nuller. "Alle computere på Jorden kombineret kunne ikke gøre dette om hundrede år. Så for bare at simulere en enkelt galakse, så meget mindre 12 millioner, måtte vi gøre dette anderledes."
Idet computerprogrammet bringer nye universer til rådighed, gætter det på, hvordan en galakses hastighed for stjernedannelse er relateret til dens alder, dens tidligere interaktioner med andre galakser og mængden af mørkt stof i sin glorie. Den sammenligner derefter hvert univers med reelle observationer, og finjusterer de fysiske parametre med hver iteration for bedre at matche virkeligheden. Slutresultatet er et univers næsten identisk med vores eget.
Ifølge Wechsler viste deres resultater, at den hastighed, hvormed galakser føder stjerner, er tæt forbundet med massen af deres mørke materiehaloer. Galakser med mørk stofhalo-masser, der mest ligner vores egen Mælkevej, havde de højeste stjernedannelsesgrader. Hun forklarede, at stjernedannelse er kvalt i mere massive galakser af en overflod af sorte huller
Deres iagttagelser udfordrede også langvarige overbevisninger om, at mørk materie kvalt stjernedannelse i det tidlige univers.
"Når vi går tilbage tidligere og tidligere i universet, ville vi forvente, at den mørke materie ville være tættere, og derfor bliver gassen varmere og varmere. Dette er dårligt for stjernedannelse, så vi havde troet, at mange galakser i de tidlige univers burde have holdt op med at danne stjerner for længe siden, ”sagde Behroozi. "Men vi fandt det modsatte: Galakser af en given størrelse var mere tilbøjelige til at danne stjerner med en højere hastighed, i modsætning til forventningen."
Nu planlægger teamet at udvide UniverseMachine for at teste flere måder, hvor mørkt stof kan påvirke galaksernes egenskaber, herunder hvordan deres former udvikler sig, massen af deres sorte huller og hvor ofte deres stjerner bliver supernova.
"For mig er det mest spændende, at vi nu har en model, hvor vi kan begynde at stille alle disse spørgsmål inden for en ramme, der fungerer," sagde Wechsler. "Vi har en model, der er billig nok beregningsmæssigt, til at vi i det væsentlige kan beregne et helt univers på cirka et sekund. Derefter har vi råd til at gøre det millioner af gange og udforske hele parameterrummet."
Forskningsgruppen offentliggjorde deres resultater i septemberudgaven af tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
