巨大な宇宙シミュレーションが包み込み、より多くの宇宙を再現します

天文学の学生の間では、宇宙論の授業の最終試験の問題についての古いジョークがあります。 「宇宙について説明し、例を 3 つ挙げてください」というような感じです。 さて、ドイツ、米国、英国の研究者チームは、宇宙がどのようなものであるかについて、少なくとも 1 つの正確な例を示すことに向けて大きな飛躍を遂げました。

これを行うために、彼らは「MillenniumTNG」と呼ばれる一連のシミュレーションを使用しました。 銀河の蓄積と宇宙の構造を時系列で追跡します。 また、宇宙の標準的な宇宙論モデルの新しい見方も提供します。 これは最新の宇宙論シミュレーションであり、2 年前の AbacusSummit プロジェクトなどの野心的な取り組みに参加しています。

このシミュレーション プロジェクトは、宇宙進化の可能な限り多くの側面を考慮に入れています。 これは、通常の (バリオン) 物質 (私たちが宇宙で見ているもの) のシミュレーションを使用します。 宇宙形成のメカニズムがまだ解明されていない暗黒物質、ニュートリノ、暗黒エネルギーも含まれます。 これは長いお願いです。

宇宙シミュレーション

ドイツの SuperMUC-NG にある 120,000 を超えるコンピューター センターが、MillenniumTNG のデータの処理に取り組みました。 これに続いて、直径約 24 億光年の宇宙領域に約 1 億個の銀河が形成されました。 その後、ダーラムの Cosma8 は、サイズよりも大きいが、シミュレートされた 1 兆個の暗黒物質粒子と、巨大ニュートリノの作用を追跡する別の 100 億個で満たされた宇宙の計算に取り組みました。

この回数のクランチの結果、銀河の構成と分布を反映する宇宙のシミュレートされた領域が作成されました。 そのサイズは、宇宙学者が宇宙全体とその歴史についての仮定を推定するために使用できるほど十分に大きかった。 また、これを使用して、宇宙の標準的な宇宙モデルの「亀裂」を探すこともできます。

宇宙論モデルと予測

宇宙学者は、宇宙の進化を説明するために提案したこの基本モデルを持っています。 それは次のようなものです：宇宙にはさまざまな種類の物質があります。 通常のバリオン物質があり、それが私たちすべて、星、惑星、銀河の材料です。 それは宇宙の「物質」の 5% 弱にすぎません。 残りは暗黒物質と暗黒エネルギーです。

宇宙論コミュニティは、この一連の奇妙な宇宙条件を「コールド ラムダ暗黒物質」(略称、LCDM) モデルと呼んでいます。 実際、それは宇宙を非常によく描写しています。 ただし、いくつかの矛盾があります。 これはシミュレーションが解決に役立つはずです。 このモデルは、銀河が暗黒物質フィラメントの複雑な網に沿って配置されている「宇宙網」への宇宙マイクロ波放射を含む、多種多様な情報源からのデータを利用しています。

暗黒物質が正確に何なのかについては、まだ十分な理解が得られていません。 そしてダークエネルギーにとって、それは課題です。 そして、天体物理学者と宇宙学者は、LCDM と 2 つの大きな未知の存在をより深く理解しようとしています。 それには、天文学者による多くの高感度の新しい観測が必要です。 その一方で、LCDM モデルが実際に何を示唆しているのかをより詳細に予測する必要もあります。 これは大きな挑戦であり、それが MillenniumTNG の大規模なシミュレーションの原動力です。 宇宙学者が宇宙のシミュレーションに成功すれば、そのシミュレーションを利用して「現実に」何が起こっているのかを理解することができます。 これには、現代宇宙と極初期宇宙の両方の銀河の特性が含まれます。

MillenniumTNG を使用した宇宙の銀河の傾向の理解と予測

MillenniumTNG シミュレーションは、「Millennium」および「IllustrisTNG」と呼ばれる以前のシミュレーション プロジェクトに続きます。 この新しいグループは、銀河の進化や形状 (または形態) などに関する理解のギャップのいくつかを指摘するツールを提供します。

天文学者は、「固有の銀河配列」と呼ばれるものについて長い間知っていました。 これは基本的に、銀河がその形状を同じ方向に向ける傾向ですが、その理由は誰も完全には理解していません。

弱い重力レンズが銀河配列の見え方に影響を与えていることが判明した。 MillenniumTNG シミュレーションにより、天文学者はシミュレートされた配列を使用して「現実世界」でそのような配列を測定できるようになります。 チームメンバーのアナ・マリア・デルガド氏によれば、これは大きな前進だという。 「おそらく、銀河の方向の本質的な配列の決定は、弱いレンズ効果と宇宙マイクロ波背景放射から推定されるクラスター物質の振幅の間の現在の不一致を解決するのに役立つ可能性があります」と彼女は述べた。

過去に聞こえる

他の宇宙論分野と同様に、MillenniumTNG グループはシミュレーションを通じて非常に若い宇宙を調べています。 これは、最初の星がすでに明るく輝き、最初の銀河が進化した再電離の時代の後の時代です。 これらの初期の銀河の中には非常に大きいものもあり、若い宇宙の文脈からは外れているように見えます。 それらはジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) によって観察されていますが、ビッグバン後の短期間でどのようにしてこれほど巨大になったのかという疑問が残っています。

MillenniumTNG シミュレーションは、一部の初期銀河が短期間で指数関数的に成長するこの傾向を再現しているようです。 通常、これはビッグバンから約 5 億年後となります。 では、なぜこれらの銀河はこれほど大きいのでしょうか? 天文学者のラーフル・カナンは、これを説明するためにいくつかのアイデアを提供しています。 「おそらく、ビッグバン直後はその後に比べて星形成がより効率的だったか、当時は大質量星がより高い速度で形成され、これらの銀河が異常に明るくなった可能性がある」と同氏は説明した。

現在、JWST は宇宙の歴史の初期の時代を調査しているため、シミュレーションが何を発見するかを予測するかどうかを見るのは興味深いでしょう。 キーナンは、現実の宇宙とシミュレーションの間に亀裂がある可能性があると示唆しています。 それが実現すれば、宇宙史の最も初期の時代について、宇宙論者にとってはまた別の困惑する疑問が生じることになるだろう。

シミュレーションおよび現実の宇宙探査の未来

今後数十年間の宇宙論研究は、ミレニアム TNG などのシミュレーションから大きな恩恵を受けるでしょう。 ただし、シミュレーションの精度は、受け取ったデータと科学チームが作成した仮定によって決まります。 MillenniumTNG は、膨大な情報データベースとそのデータを処理するスーパーコンピューターの機能の恩恵を受けています。 研究チームの主任研究者であるマックス・プランク研究所のフォルカー・シュプレンゲル教授によると、3ペタバイトを超えるデータを生成したシミュレーションは宇宙論にとって重要な資産であるという。

「MillenniumTNGは、銀河形成シミュレーションにおける最近の進歩と大規模な宇宙構造の分野を組み合わせ、銀河と宇宙の暗黒物質バックボーンとの関係の理論モデリングを改善することを可能にします」と同氏は述べた。 「これは、大規模な構造データによってニュートリノの質量をどのようにより適切に制限できるかなど、宇宙論における重要な疑問を前進させるのに非常に役立つ可能性があります。」

彼の予測は確かに MillenniumTNG プロジェクトの目標と一致しています。 チームは、ほぼ 10 年前に作成された暗黒物質のみのミレニアム シミュレーションに加えて流体力学シミュレーションを実行した IllustrisTNG プロジェクトの成功をさらに発展させ続けています。 チームのシミュレーションは、さまざまな銀河系の主題を研究するために使用されてきました。 これらには、物質の集合と銀河のハロー、銀河団とその分布、銀河形成のモデル、初期宇宙の銀河団、銀河の本質的な配列、およびその他の関連トピックが含まれます。 彼らは宇宙を完全に定義することはできないかもしれませんが (3 つの例を挙げます)、MillenniumTNG チームはその起源と進化の理解において大きな進歩を遂げています。

詳細については

標準宇宙モデルの亀裂を探す
MillenniumTNG プロジェクトのウェブページ