Et team av astrofysikere har nettopp skapt 8 millioner unike universer i en superdatamaskin og latt dem utvikle seg fra bare tots til gamle geezers. Målet deres? For å spikre rollen som et usynlig stoff kalt mørk materie spilte i universets liv siden Big Bang og hva det betyr for vår skjebne.
Etter å ha oppdaget at universet vårt for det meste er sammensatt av mørk materie på slutten av 1960-tallet, har forskere spekulert i om dets rolle i dannelsen av galakser og deres evne til å føde nye stjerner over tid.
I følge Big Bang-teorien, ikke lenge etter at universet ble født, har en usynlig og unnvikende stofffysikere kalt mørk materie begynt å klumpe seg sammen av tyngdekraften til massive skyer som kalles mørk materie-haloer. Da haloene vokste seg, tiltrakk de seg den sparsomme hydrogengassen som tillater universet å komme sammen og danne stjerner og galakser vi ser i dag. I denne teorien fungerer mørk materie som ryggraden i galakser, og dikterer hvordan de dannes, smelter sammen og utvikler seg over tid.
For bedre å forstå hvordan mørk materie formet denne universets historie, skapte Peter Behroozi, en assisterende professor i astronomi ved University of Arizona, og teamet hans egne universer ved bruk av skolens superdatamaskin. Datamaskinens 2.000 prosessorer arbeidet uten pause i løpet av tre uker for å simulere mer enn 8 millioner unike universer. Hvert univers fulgte individuelt et unikt regelverk for å hjelpe forskere til å forstå forholdet mellom mørk materie og galaksenes utvikling.
"På datamaskinen kan vi opprette mange forskjellige universer og sammenligne dem med den faktiske, og som lar oss utlede hvilke regler som fører til den vi ser," sa Behroozi i en uttalelse.
Mens tidligere simuleringer har fokusert på modellering av enkeltgalakser eller generering av håne universer med begrensede parametere, er UniverseMachine den første av dens omfang. Programmet skapte kontinuerlig millioner av universer, som hver inneholder 12 millioner galakser, og lot hver for seg utvikle seg over nesten hele det virkelige universets historie fra 400 millioner år etter Big Bang til i dag.
"Det store spørsmålet er: 'Hvordan dannes galakser?'" Sa studieforsker Risa Wechsler, professor i fysikk og astrofysikk ved Stanford University. "Det virkelig kule med denne studien er at vi kan bruke alle dataene vi har om galakseutviklingen - antall galakser, hvor mange stjerner de har og hvordan de danner disse stjernene - og sette det sammen til et omfattende bilde av den siste 13 milliarder år av universet. "
Å lage en kopi av universet vårt, eller til og med av en galakse, ville kreve en uforklarlig mengde datakraft. Så Behroozi og kollegene innsnevret fokuset til to sentrale egenskaper ved galakser: deres samlede masse av stjerner og hastigheten de føder nye til.
"Å simulere en enkelt galakse krever 10 til den 48. databehandlingsoperasjonen," forklarte Behroozi, med henvisning til en oktillionoperasjon, eller en 1 etterfulgt av 48 nuller. "Alle datamaskiner på jorden samlet kunne ikke gjøre dette på hundre år. Så for bare å simulere en enkelt galakse, enn si 12 millioner, måtte vi gjøre dette annerledes."
Idet dataprogrammet gyver nye universer, gjetter det hvordan en galakas stjernestasjonsdannelse er relatert til dens alder, dens interaksjoner med andre galakser og mengden mørk materie i glorie. Den sammenligner deretter hvert univers med reelle observasjoner, og finjusterer de fysiske parametrene med hver iterasjon for å matche virkeligheten bedre. Sluttresultatet er et univers nesten identisk med vårt eget.
Ifølge Wechsler viste resultatene at hastigheten som galakser føder stjerner er tett forbundet med massen av deres mørke materiehaloer. Galakser med halo-masser med mørk materie som ligner mest på vår egen Melkevei, hadde de høyeste stjernedannelsesgradene. Hun forklarte at stjernedannelse er kvalt i mer massive galakser av en overflod av svarthull
Observasjonene deres utfordret også lange holdninger om at mørk materie kvalt stjernedannelse i det tidlige universet.
"Når vi går tilbake tidligere og tidligere i universet, ville vi forvente at den mørke saken blir tettere, og derfor blir gassen varmere og varmere. Dette er dårlig for stjernedannelse, så vi hadde trodd at mange galakser tidlig univers burde ha sluttet å danne stjerner for lenge siden, "sa Behroozi. "Men vi fant det motsatte: Galakser av en gitt størrelse hadde større sannsynlighet for å danne stjerner med en høyere hastighet, i strid med forventningen."
Nå planlegger teamet å utvide UniverseMachine for å teste flere måter mørk materie kan påvirke egenskapene til galakser, inkludert hvordan formene deres utvikler seg, massen av svarte hull og hvor ofte stjernene deres blir supernova.
"For meg er det mest spennende at vi nå har en modell der vi kan begynne å stille alle disse spørsmålene i et rammeverk som fungerer," sa Wechsler. "Vi har en modell som er rimelig nok beregningsmessig, til at vi i hovedsak kan beregne et helt univers på omtrent et sekund. Da har vi råd til å gjøre det millioner av ganger og utforske hele parameterområdet."
Forskningsgruppen publiserte resultatene i septemberutgaven av tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
