Een internationaal team van astronomen heeft de grootste kosmologische computersimulatie ooit uitgevoerd, die niet alleen donkere maar ook gewone materie volgt. De FLAMINGO-simulatie berekent de evolutie van alle componenten van het heelal – gewone materie, donkere materie en donkere energie – volgens de wetten van de natuurkunde. Naarmate de simulatie vordert, ontstaan virtuele sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. De simulaties vergden meer dan 50 miljoen CPU-uren en produceerden meer dan 1 petabyte aan gegevens. De resultaten zijn geaccepteerd voor publicatie in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. De eerste drie artikelen beschrijven de methoden, presenteren de simulaties en bieden een eerste blik op de mogelijke manieren waarop de simulaties in de toekomst ingezet kunnen worden.
Een projectie door een 130 miljoen lichtjaar dikke plak door een simulatie van een kubusvormig volume van 9.132 miljoen lichtjaar aan één zijde. De helderheid van de achtergrond geeft de oppervlaktedichtheid van koude donkere materie weer, terwijl de kleur de oppervlaktedichtheid van zware neutrino’s weergeeft. Het kosmische web (de groteschaalstructuur van het heelal) is duidelijk zichtbaar. Het feit dat de kleur vloeiender verandert dan de helderheid geeft aan dat neutrino’s op grotere lengteschalen clusteren dan koude donkere materie. Credit: Figuur uit Schaye et al. (2023). Beeldcredit: Josh Borrow, het FLAMINGO-team en het Virgo Consortium.
Wereldwijd worden enorme bedragen geïnvesteerd in steeds grotere telescopen op de grond en in de ruimte, zoals de Euclid-ruimtetelescoop die onlangs door het Europees Ruimteagentschap ESA is gelanceerd. Deze en andere faciliteiten verzamelen indrukwekkende hoeveelheden gegevens over sterrenstelsels, quasars en sterren. Simulaties zoals FLAMINGO spelen een sleutelrol in de wetenschappelijke interpretatie van de gegevens door voorspellingen van theorieën over ons universum te verbinden met de waargenomen gegevens.
Volgens de theorie worden de eigenschappen van ons hele heelal bepaald door een paar getallen, die ‘kosmologische parameters’ worden genoemd (zes in de eenvoudigste versie van de theorie). De waarden van deze parameters kunnen op verschillende manieren heel precies worden gemeten. Eén daarvan is gebaseerd op eigenschappen van de kosmische achtergrondstraling, de warmtestraling die is overgebleven van de oerknal. Maar deze waarden komen niet allemaal overeen met de waarden die worden gemeten met andere technieken die kijken naar de manier waarop de zwaartekracht van sterrenstelsels het licht buigt. Deze spanningen zouden het einde kunnen betekenen van het standaardmodel van de kosmologie – het ‘koude donkere materie model’.
De computersimulaties kunnen misschien de oorzaak van deze spanningen duidelijk maken omdat ze mogelijke systematische fouten in de metingen kunnen vinden. Als geen van deze fouten voldoende blijkt om de spanningen weg te nemen, heeft de theorie echt problemen.
De computersimulaties waarmee de waarnemingen vergeleken worden volgen tot nu toe uitsluitend de koude donkere materie. ‘Hoewel de donkere materie de zwaartekracht domineert, kan de bijdrage van de gewone materie niet langer worden verwaarloosd’, zegt onderzoeksleider Joop Schaye (Universiteit Leiden), ‘aangezien die vergelijkbaar zou kunnen zijn met de afwijkingen tussen de modellen en de waarnemingen.’ De eerste resultaten laten zien dat zowel neutrino’s als gewone materie van essentieel belang zijn voor het maken van nauwkeurige voorspellingen, maar dat ze de spanningen tussen de verschillende kosmologische waarnemingen niet wegnemen.
De achtergrondafbeelding is dezelfde als in de vorige figuur. De inzet toont drie opeenvolgende zoom-ins, gecentreerd rond de zwaarste cluster van melkwegstelsels. Deze tonen achtereenvolgens de gastemperatuur langs de gezichtslijn, de oppervlaktedichtheid van donkere materie en de röntgenoppervlaktehelderheid. De zoom-ins tonen het grote bereik aan lengteschalen dat door de simulatie wordt gevolgd.
Credit: Figuur uit Schaye et al. (2023). Beeldcredit: Josh Borrow, het FLAMINGO-team en het Virgo Consortium.
Gewone materie en neutrino’s
Simulaties die ook gewone, zogeheten baryonische materie volgen zijn veel uitdagender en vergen veel meer rekenkracht. Dit komt doordat de gewone materie – die slechts zestien procent van alle materie in het heelal vormt – niet alleen de zwaartekracht voelt, maar ook gasdruk, waardoor de materie door actieve zwarte gaten en supernova’s uit sterrenstelsels geblazen kan worden tot ver in de intergalactische ruimte. De kracht van deze intergalactische winden hangt af van de explosies in het interstellaire medium en is zeer moeilijk te voorspellen. Daarbovenop komt dat de bijdrage van de neutrino’s, subatomaire deeltjes met een zeer kleine maar niet precies bekende massa, ook van belang is. De beweging van neutrino’s werd tot nu toe ook niet gesimuleerd.
Methode
De astronomen hebben een serie computersimulaties voltooid die structuurvorming volgen in de donkere materie, de gewone materie en neutrino’s. Promovendus Roi Kugel (Universiteit Leiden) licht toe: ‘Het effect van galactische winden is gekalibreerd met behulp van machine learning, door de voorspellingen van veel verschillende simulaties van relatief kleine volumes te vergelijken met de waargenomen massa’s van sterrenstelsels en de verdeling van gas in clusters van sterrenstelsels.’
De onderzoekers hebben het model dat de kalibratiewaarnemingen het best beschrijft gesimuleerd met een supercomputer in verschillende kosmische volumes en met verschillende resoluties. Daarnaast hebben ze de parameters van het model, waaronder de kracht van galactische winden, de massa van de neutrino’s, en de kosmologische parameters gevarieerd in simulaties van iets kleinere, maar nog steeds grote volumes.
De grootste simulatie gebruikt 300 miljard resolutie-elementen (deeltjes met de massa van een klein sterrenstelsel) in een kubisch volume met ribben van tien miljard lichtjaar. Dit is de grootste kosmologische computersimulatie met gewone materie die ooit is voltooid. Matthieu Schaller (Universiteit Leiden): ‘Om deze simulatie mogelijk te maken hebben we een nieuwe code ontwikkeld, SWIFT, die het rekenwerk op een efficiënte manier verdeelt over 30 duizend CPU’s.’
Vervolgonderzoek
De FLAMINGO-simulaties openen een nieuw virtueel venster op het heelal dat zal helpen om kosmologische waarnemingen optimaal te benutten. Daarnaast schept de grote hoeveelheid (virtuele) gegevens kansen om nieuwe theoretische ontdekkingen te doen en om nieuwe data-analysetechnieken, waaronder machine learning, verder te testen. Met behulp van machine learning kunnen de astronomen vervolgens voorspellingen doen voor willekeurige virtuele heelallen. Door deze te vergelijken met de waarnemingen van de grote-schaalstructuur kunnen ze de waardes van kosmologische parameters meten. Bovendien kunnen ze de bijbehorende onzekerheden meten door te vergelijken met waarnemingen die het effect van galactische winden bepalen.
Evolution of the most massive galaxy cluster in the high-resolution simulation. The main frame shows the gas density and temperature with white indicating the hottest and densest gas in the intra-cluster medium Credit Yannick Bahé, the #Flamingo team and the #Virgo Consortium pic.twitter.com/CYWggYYqgz
— Gabriella Bernardi (@Vindunno) October 23, 2023
Vakartikelen
- The FLAMINGO project: cosmological hydrodynamical simulations for large-scale structure and galaxy cluster surveys, Joop Schaye et al., https://arxiv.org/pdf/2306.04024.pdf
- FLAMINGO: Calibrating large cosmological hydrodynamical simulations with machine learning, Roi Kugel et al., https://arxiv.org/pdf/2306.05492.pdf
- The FLAMINGO project: revisiting the S8 tension and the role of baryonic physics, Ian McCarthy et al., https://arxiv.org/pdf/2309.07959.pdf
Bron: Astronomie.nl.
Speak Your Mind