Jak my się tu znaleźliśmy? Nie tylko my, ludzie, poruszający się po bladoniebieskiej kropce, pędzący wokół gwiazdy, pędzący wokół supermasywnej czarnej dziury, pędzący przez lokalną gromadę. Ale jak kropka się tu znalazła, gwiazda, czarna dziura i gromada?

Jak niepojęty ogromny wszystko tego wszystkiego dotarło tam, gdzie jest teraz, z niewyobrażalnej niczego, miliardy lat temu?

To właściwie tyle, jeśli chodzi o pytania. W ramach największego jak dotąd projektu tego typu astronomowie próbują znaleźć odpowiedzi – przeprowadzając symulacje komputerowe całego Wszechświata.

Nazywają się one symulacjami FLAMINGO (Full-hydro Large-scale Structures Simulations with All-sky Mapping for the Interpretation of Next Generation Observations) i są uruchamiane na superkomputerze w ośrodku DiRAC w Wielkiej Brytanii.

Te symulacje są intensywne. Mają za zadanie obliczyć ewolucję wszystkich znanych składników Wszechświata.

Oznacza to normalną materię: gwiazdy; galaktyki; wszystkie rzeczy, których mogliśmy dotknąć (mogłoby nas to zabić, ale mogliśmy); ciemna materia – tajemnicza masa tworząca dziwną dodatkową grawitację; oraz ciemna energia – tajemnicza siła przyspieszająca ekspansję Wszechświata.

Największa z tych symulacji obejmuje 300 miliardów cząstek o masie małej galaktyki w sześciennej objętości przestrzeni o krawędziach 10 miliardów lat świetlnych.

„Aby umożliwić tę symulację, opracowaliśmy nowy kod SWIFT, który efektywnie rozdziela pracę obliczeniową na 30 tysięcy procesorów” – wyjaśnia astronom Matthieu Schaller z Uniwersytetu w Lejdzie.

Wstępne wyniki opublikowano w trzech artykułach: pierwszy opisujący metody, drugi przedstawiający symulacje i trzeci zawierający wyniki opisujące wielkoskalową strukturę Wszechświata w zimnej ciemnej materii.

W szczególności trzeci artykuł miał na celu zajęcie się czymś zwanym sigma 8 lub S₈ napięcie. Opiera się to na pomiarze Wszechświata zwanym kosmicznym mikrofalowym tłem – słabym promieniowaniem mikrofalowym wypełniającym Wszechświat z epoki tuż po Wielkim Wybuchu. Analiza tego światła sugeruje, że Wszechświat powinien był już zbić się w większe skupiska, niż dotychczas.

Ponieważ napięcie to stanowi główne wyzwanie dla modelu zimnej ciemnej materii Wszechświata, w którym powinno nastąpić zbicie, badacze mają nadzieję, że FLAMINGO może dostarczyć pewnych odpowiedzi.

Póki co nie udało im się rozładować napięcia – to byłaby ogromna wiadomość dla kosmologii – ale mają coś w sobie z przeprowadzaniem symulacji: do dokładnych przewidywań niezbędna jest zarówno zwykła materia, jak i neutrina.

„Chociaż ciemna materia dominuje w grawitacji, nie można już lekceważyć wkładu zwykłej materii” – mówi kierownik badań i astronom Joop Schaye z Uniwersytetu w Lejdzie, „ponieważ udział ten może być podobny do odchyleń między modelami i obserwacjami”.

Symulacja obejmująca normalną materię jest trudniejsza do przeprowadzenia. Wiadomo, że ciemna materia oddziałuje z Wszechświatem jedynie grawitacyjnie; normalna materia oddziałuje również z ciśnieniem, takim jak ciśnienie promieniowania, i wiatrami galaktycznymi, które są nieprzewidywalne i trudne do modelowania. Aby to zadziałało, wymaga znacznie większej mocy obliczeniowej, więc na odpowiedzi w S. będziemy musieli poczekać trochę dłużej₈ napięcie od FLAMINGO.

Jednakże badacze przeprowadzili serię symulacji, które śledziły powstawanie struktury Wszechświata w ciemnej materii, normalnej materii i neutrinach, zmieniając parametry wszystkich trzech, aby zobaczyć, jak wpływa to na wynik końcowy.

„Efekt wiatrów galaktycznych skalibrowano za pomocą uczenia maszynowego, porównując przewidywania wielu różnych symulacji stosunkowo małych objętości z obserwowanymi masami galaktyk i rozkładem gazu w gromadach galaktyk” – wyjaśnia astronom Roi Kugel z Uniwersytetu w Lejdzie.

Zespół nie udostępnił jeszcze publicznie swoich danych FLAMINGO, ponieważ zajmują one kilka petabajtów. Wszystkich zainteresowanych zachęcamy do złożenia uprzejmego zapytania u odpowiedniego autora.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „ Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego. Trzy artykuły można znaleźć tutaj, tutaj i tutaj.