Astronomen führen größte je durchgeführte kosmologische Computersimulation durch

23. Oktober 2023

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Korrekturgelesen von der Royal Astronomical Society

Ein internationales Team von Astronomen hat die bisher größte kosmologische Computersimulation durchgeführt, bei der nicht nur dunkle Materie, sondern auch gewöhnliche Materie (wie Planeten, Sterne und Galaxien) verfolgt wurde und uns einen Einblick in die mögliche Entwicklung unseres Universums gibt.

Die FLAMINGO-Simulationen berechnen die Entwicklung aller Bestandteile des Universums - gewöhnliche Materie, dunkle Materie und dunkle Energie - gemäß den Gesetzen der Physik. Im Laufe der Simulation entstehen virtuelle Galaxien und Galaxienhaufen. In den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society wurden drei Artikel veröffentlicht: einer beschreibt die Methoden, ein anderer präsentiert die Simulationen und der dritte untersucht, wie gut die Simulationen die großräumige Struktur des Universums reproduzieren.

Einrichtungen wie das Euclid Space Telescope, das kürzlich von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der NASA gestartet wurde, und das JWST sammeln beeindruckende Mengen an Daten über Galaxien, Quasare und Sterne. Simulationen wie FLAMINGO spielen eine wichtige Rolle bei der wissenschaftlichen Interpretation der Daten, indem sie Vorhersagen aus Theorien unseres Universums mit den beobachteten Daten verknüpfen.

Nach der Theorie werden die Eigenschaften unseres gesamten Universums von einigen Zahlen bestimmt, die als "kosmologische Parameter" bezeichnet werden (in der einfachsten Version der Theorie sind es sechs). Die Werte dieser Parameter können auf verschiedene Weise sehr präzise gemessen werden.

Eine dieser Methoden beruht auf den Eigenschaften des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), einem schwachen Hintergrundglühen aus den Anfängen des Universums. Diese Werte stimmen jedoch nicht mit denen überein, die durch andere Techniken gemessen wurden, bei denen die gravitative Kraft von Galaxien das Licht beugt (Linseneffekt). Diese "Spannungen" könnten auf das Aussterben des Standardmodells der Kosmologie - dem kalten Dunkle-Materie-Modell - hindeuten.

Die Computersimulationen könnten die Ursache für diese Spannungen aufdecken, da sie Wissenschaftlern Informationen über mögliche Verzerrungen (systematische Fehler) in den Messungen geben können. Wenn keines davon ausreicht, um die Spannungen zu erklären, gerät die Theorie in echte Schwierigkeiten.

Bisher wurden in den Computersimulationen nur dunkle Materie verfolgt. "Obwohl die dunkle Materie die Gravitation dominiert, darf der Beitrag der gewöhnlichen Materie nicht mehr vernachlässigt werden", sagt Forschungsleiter Joop Schaye (Universität Leiden), "da dieser Beitrag ähnlich wie die Abweichungen zwischen den Modellen und den Beobachtungen sein könnte".

Die ersten Ergebnisse zeigen, dass sowohl Neutrinos als auch gewöhnliche Materie für genaue Vorhersagen unverzichtbar sind, aber die Spannungen zwischen den verschiedenen kosmologischen Beobachtungen nicht beseitigen.

Simulationen, die auch gewöhnliche baryonische Materie (auch als baryonische Materie bekannt) verfolgen, sind viel anspruchsvoller und erfordern viel mehr Rechenleistung. Dies liegt daran, dass die gewöhnliche Materie, die nur sechzehn Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht, nicht nur von der Gravitation, sondern auch vom Gasdruck beeinflusst wird, der bewirken kann, dass Materie durch aktive Schwarze Löcher und Supernovae aus Galaxien herausgeblasen und in den intergalaktischen Raum gelangen.

Die Stärke dieser intergalaktischen Winde hängt von Explosionen im interstellaren Medium ab und ist sehr schwer vorherzusagen. Hinzu kommt, dass der Beitrag von Neutrinos, subatomaren Partikeln von sehr kleiner, aber nicht genau bekannter Masse, ebenfalls wichtig ist, aber ihre Bewegung bisher noch nicht simuliert wurde.

Die Astronomen haben eine Reihe von Computersimulationen zur Tracking der Strukturbildung in dunkler Materie, gewöhnlicher Materie und Neutrinos durchgeführt. Doktorand Roi Kugel (Universität Leiden) erklärt: "Der Effekt galaktischer Winde wurde mithilfe des maschinellen Lernens kalibriert, indem die Vorhersagen von vielen verschiedenen Simulationen relativ kleiner Volumina mit den beobachteten Massen von Galaxien und der Verteilung von Gas in Galaxienhaufen verglichen wurden".

Die Forscher simulierten das Modell, das die Kalibrierungsbeobachtungen am besten beschreibt, mit einem Supercomputer in verschiedenen kosmischen Volumina und Auflösungen. Darüber hinaus variierten sie die Parameter des Modells, einschließlich der Stärke der galaktischen Winde, der Masse der Neutrinos und der kosmologischen Parameter in Simulationen von etwas kleineren, aber immer noch großen Volumina.

The largest simulation uses 300 billion resolution elements (particles with the mass of a small galaxy) in a cubic volume with edges of ten billion light years. This is believed to be the largest cosmological computer simulation with ordinary matter ever completed. Matthieu Schaller, of Leiden University, said, 'To make this simulation possible, we developed a new code, SWIFT, which efficiently distributes the computational work over 30 thousand CPUs.'

The FLAMINGO simulations open a new virtual window on the universe that will help make the most of cosmological observations. In addition, the large amount of (virtual) data creates opportunities to make new theoretical discoveries and to test new data analysis techniques, including machine learning.

Using machine learning, astronomers can then make predictions for random virtual universes. By comparing these with large-scale structure observations, they can measure the values of cosmological parameters. Moreover, they can measure the corresponding uncertainties by comparing with observations that constrain the effect of galactic winds.

More information: Joop Schaye et al, The FLAMINGO project: cosmological hydrodynamical simulations for large-scale structure and galaxy cluster surveys, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad2419

Roi Kugel et al, FLAMINGO: Calibrating large cosmological hydrodynamical simulations with machine learning, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad2540

Journal information: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

Provided by Royal Astronomical Society