צוות אסטרופיסיקאים הוליד זה עתה 8 מיליון יקומים ייחודיים בתוך מחשב-על ונתן להם להתפתח מטוטים בלבד לגוזרים ותיקים. המטרה שלהם? למסמר את התפקיד שחומר בלתי נראה המכונה חומר אפל מילא בחיי היקום שלנו מאז המפץ הגדול ומה המשמעות של גורלנו.
לאחר שגילו שהיקום שלנו מורכב ברובו מחומר אפל בסוף שנות ה -60, מדענים השערו על תפקידו ביצירת גלקסיות ויכולתם ללדת כוכבים חדשים לאורך זמן.
על פי תיאוריית המפץ הגדול, זמן לא רב לאחר שנולד היקום, פיסיקאים של חומר בלתי נראה וחמקמק כיוו את החומר האפל החלו להתגבש יחד על ידי כוח הכובד לעננים מאסיביים הנקראים הילות חומר אפל. ככל שההילות גדלו בגודלן, הם משכו את גז המימן הדליל המחדיר את היקום להתכנס יחד וליצור את הכוכבים והגלקסיות שאנו רואים כיום. בתיאוריה זו החומר האפל משמש כעמוד השדרה של הגלקסיות, ומכתיב כיצד הם יוצרים, מתמזגים ומתפתחים לאורך זמן.
כדי להבין טוב יותר כיצד חומר אפל עיצב את ההיסטוריה הזו של היקום, פיטר Behroozi, פרופסור לאסטרונומיה באוניברסיטת אריזונה, וצוותו יצר יקומים משלו בעזרת מחשב העל של בית הספר. 2,000 המעבדים של המחשב עבדו ללא הפסקה במשך שלושה שבועות כדי לדמות יותר מ- 8 מיליון יקומים ייחודיים. כל יקום ציית בנפרד למערכת כללים ייחודית שעוזרת לחוקרים להבין את הקשר בין חומר אפל להתפתחות הגלקסיות.
בהרוז'י נמסר בהצהרה כי "במחשב, אנו יכולים ליצור יקומים רבים ושונים ולהשוות אותם לזו שבאמת, וזה מאפשר לנו להסיק אילו חוקים יובילו לזה שאנחנו רואים.
בעוד שהדמיות קודמות התמקדו במודלים של גלקסיות בודדות או בייצור יקומים מדומים עם פרמטרים מוגבלים, UniverseMachine הוא הראשון בהיקפו. התוכנית יצרה ברציפות מיליוני יקומים, שכל אחד מהם הכיל 12 מיליון גלקסיות, וכל אחד מהם איפשר להתפתח כמעט על כל ההיסטוריה של היקום האמיתי החל מ -400 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול ועד ימינו.
"השאלה הגדולה היא 'איך נוצרות גלקסיות?'", אמרה חוקרת המחקר ריסה וכסלר, פרופסור לפיזיקה ואסטרופיסיקה מאוניברסיטת סטנפורד. "הדבר המגניב באמת במחקר הזה הוא שנוכל להשתמש בכל הנתונים שיש לנו על התפתחות הגלקסיה - מספר הגלקסיות, כמה כוכבים יש להם ואיך הם יוצרים את הכוכבים האלה - ולהרכיב אותם לתמונה כוללת של האחרונה 13 מיליארד שנות יקום. "
יצירת העתק של היקום שלנו, או אפילו של גלקסיה, ידרוש כמות בלתי נתפסת של כוח מחשוב. אז בהרוז'י ועמיתיו צמצמו את המיקוד שלהם לשתי תכונות מרכזיות של גלקסיות: מסת הכוכבים המשולבת שלהם והקצב בו הם מולידים חדשים.
"סימולציה של גלקסיה יחידה דורשת 10 לפעולות המחשוב ה -48", הסביר Behroozi, בהתייחס לפעולה של אוקטיליון, או 1 ואחריו 48 אפסים. "כל המחשבים בכדור הארץ בשילוב לא יכלו לעשות זאת במאה שנים. אז פשוט לדמות גלקסיה אחת, שלא לדבר על 12 מיליון, היינו צריכים לעשות את זה אחרת."
כאשר תוכנית המחשב מולידה יקומים חדשים, היא מנחשת כיצד קצב היווצרות הכוכבים של הגלקסיה קשור לגילה, לאינטראקציות שלה בעבר עם גלקסיות אחרות ולכמות החומר האפל בהילה שלה. לאחר מכן הוא משווה כל יקום עם תצפיות אמיתיות, מכוונן את הפרמטרים הפיזיים עם כל איטרציה כדי להתאים טוב יותר למציאות. התוצאה הסופית היא יקום כמעט זהה לשלנו.
לטענת וקסלר, תוצאותיהם הראו כי הקצב שבו יובאו הגלקסיות כוכבים קשור בחוזקה למסה של הילות החומר האפל שלהן. לגלקסיות עם מסות הילה של חומר אפל הדומות ביותר לשביל החלב שלנו היו שיעורי היווצרות הכוכבים הגבוהים ביותר. היא הסבירה כי היווצרות הכוכבים מחוסרת בגלקסיות מסיביות יותר על ידי שפע של חורים שחורים
התצפיות שלהם גם אתגרו אמונות ארוכות טווח כי חומר אפל החניק את היווצרות הכוכבים ביקום המוקדם.
"כשאנחנו חוזרים מוקדם יותר ויותר מוקדם ביקום, היינו מצפים שהחומר האפל יהיה צפוף יותר, ולכן הגז יתחמם וחם יותר. זה רע להיווצרות הכוכבים, כך שחשבנו שהרבה גלקסיות בתחילת הדרך היקום היה צריך להפסיק להקים כוכבים לפני זמן רב, "אמר Behroozi. "אבל מצאנו את ההפך: גלקסיות בסדר גודל נתון היו בעלות סיכוי גבוה יותר ליצור כוכבים בקצב גבוה יותר, בניגוד לציפייה."
כעת, הצוות מתכנן להרחיב את UniverseMachine בכדי לבחון דרכים נוספות לחומר אפל עלול להשפיע על תכונות הגלקסיות, כולל כיצד צורותיהם מתפתחות, מסת החורים השחורים שלהן ותדירותם הכוכבים שלהם עוברים לסופרנובה.
"בשבילי הדבר המרגש ביותר הוא שיש לנו עכשיו מודל בו נוכל להתחיל לשאול את כל השאלות הללו במסגרת שעובדת", אמר וכסלר. "יש לנו מודל זול מספיק מבחינה חישובית, שנוכל לחשב יקום שלם בערך שנייה. ואז אנו יכולים להרשות לעצמנו לעשות זאת מיליוני פעמים ולחקור את כל מרחב הפרמטרים."
קבוצת המחקר פרסמה את תוצאותיה בגיליון ספטמבר של כתב העת Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
