Astronomen voeren de grootste kosmologische computersimulatie tot nu toe uit

De Flamingo-simulatie, het resultaat van een internationale samenwerking, biedt een gedetailleerd beeld van de kosmische evolutie sinds de oerknal. Door elementen zoals neutrino’s in het systeem op te nemen, verschilt het van eerdere onderzoeken waarin naast reguliere materie alleen donkere materie werd onderzocht. Sommige verschijnselen die tijdens de simulatie worden waargenomen, kunnen wijzen op de behoefte aan nieuwe natuurkunde.

In een context waarin het begrijpen van het universum en zijn evolutie een grote uitdaging voor de wetenschap blijft, vertegenwoordigt het Flamingo-project een belangrijke stap. Dit internationale initiatief resulteerde in de creatie van de grootste en meest uitgebreide kosmische simulatie tot nu toe.

Door de evolutie van het universum vanaf de oerknal tot nu te volgen, biedt Flamingo een uniek perspectief op de vorming en verspreiding van sterrenstelsels, donkere materie en neutrino’s. Dit project, dat rekenkracht combineert met vooruitgang in de theoretische natuurkunde, heeft tot doel enkele van de meest duurzame mysteries in de moderne kosmologie op te lossen.

Flamingo-project

Onder leiding van Job Schaie, onderzoeker bij de Sterrewacht Leiden in Nederland, werd het ambitieuze Flamingo-project gelanceerd met als doel de dynamische evolutie van het universum te simuleren. Deze simulatie beslaat een enorm volume, gelijk aan een kubus waarvan elke zijde 9,1 miljard lichtjaar meet.

Binnen deze virtuele ruimte analyseerden de onderzoekers de mondiale beweging en zwaartekrachtinteractie van 300 miljard deeltjes. Elk van deze deeltjes heeft in de simulatie een massa die vergelijkbaar is met die van een typisch dwergstelsel, wat een gedetailleerde weergave oplevert van hoe deze entiteiten samenklonteren en op elkaar inwerken in het echte universum.

In het tijdschrift zijn drie artikelen gepubliceerd Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society Eén beschrijft methoden, één presenteert simulaties, en de derde onderzoekt hoe goed de simulaties de grootschalige structuur van het universum reproduceren.

Door gewone materie, donkere materie en neutrino’s te integreren, hebben deze simulaties een groter vermogen getoond om nauwkeurige voorspellingen te genereren. FLAMINGO wordt ook gepositioneerd als een essentieel instrument voor de toekomst van observationele astronomie.

Met de komst van een nieuwe generatie telescopen, zoals de Euclid Space Telescope van de European Space Agency, zijn de verzamelde gegevens ongekend rijk geworden. FLAMINGO zal, met zijn geïntegreerde aanpak, essentieel zijn om deze gegevens te interpreteren, waardoor onderzoekers hun waarnemingen kunnen vergelijken met robuuste en nauwkeurige theoretische modellen.

Onopgeloste uitdagingen voor de moderne kosmologie

Waarom deze simulatie? Je moet weten dat de kosmologie, ondanks haar vooruitgang, voor grote uitdagingen staat. Eén daarvan is dat de spanning verband houdt met de huidige uitdijingssnelheid van het universum. De moderne kosmologie is gebaseerd op de theorie dat het universum wordt gekenmerkt door specifieke getallen, bekend als ‘kosmologische parameters’. In hun eenvoudigste vorm definiëren zes van deze parameters de fundamentele eigenschappen van ons universum. Deze parameters kunnen op verschillende manieren met hoge nauwkeurigheid worden gemeten.

Een van de meest gebruikte technieken is gebaseerd op de kosmische microgolfachtergrond (CMB), een restgeluid dat voortkomt uit het opkomende heelal. Er is echter een discrepantie ontstaan ​​tussen de waarden die op deze manier worden verkregen en de waarden die zijn afgeleid van andere technieken, zoals het observeren van hoe licht wordt afgebogen door de zwaartekracht van sterrenstelsels, een fenomeen dat zwaartekrachtlensing wordt genoemd. Deze discrepanties, vaak ‘spanningen’ genoemd, kunnen vragen oproepen over de geldigheid van het huidige standaardmodel van de kosmologie. Daarom spelen tools zoals FLAMINGO een cruciale rol bij het oplossen van deze puzzels.

Technologie ten dienste van de kosmologie

Het implementeren van een FLAMINGO-simulatie vereist uitzonderlijke technologische middelen. Het team gebruikte DiRAC-COSMA8, een van ’s werelds krachtigste supercomputers, die wordt gehost aan de Universiteit van Durham. Met meer dan 50 miljoen uur aan berekeningen, verpakt in 30.000 processors, is de omvang van dit project evenredig aan de complexiteit ervan.

Maar Flamingo trad niet alleen in de voetsporen van zijn voorgangers. Hoewel de meeste eerdere simulaties zich op donkere materie concentreerden, heeft deze nieuwe aanpak het spectrum zelfs uitgebreid met neutrino’s. Guadalupe Cañas Herrera, een kosmologie-expert bij de European Space Agency, benadrukte het belang van deze alomvattende aanpak in Ik heb gerapporteerd. Het is noodzakelijk om de verdeling van materie op kleinere schaal nauwkeurig te begrijpen.

Bovendien creëert de grote hoeveelheid (virtuele) data kansen voor nieuwe theoretische ontdekkingen en maakt het het testen van nieuwe data-analysetechnieken, waaronder machine learning, mogelijk.

Door te onderzoeken hoe materie beweegt en zich verzamelt in het universum, onder invloed van zwaartekrachten en andere verschijnselen, probeerde het team de oorzaak van discrepanties in onze modellen te achterhalen. Hoewel de effecten van baryonische (gewone) materie de grootschalige kosmische structuur beïnvloeden, lijken ze echter niet voldoende te zijn om deze spanning te verlichten. De Flamingo-resultaten suggereren dus dat we mogelijk nieuwe natuurkunde nodig hebben.

video : Evolutie van de massa van het meest massieve sterrenstelsel in simulaties met hoge resolutie. © Yannick Bahi, Flamingo Team en Virgo Consortium.

bron : maandelijks Meldingen Volgeling Koninklijke Astronomische Vereniging