Một nhóm các nhà vật lý thiên văn vừa mới sinh ra 8 triệu vũ trụ độc nhất bên trong một siêu máy tính và để chúng tiến hóa từ chỉ tots thành geezers cũ. Bàn thắng của họ? Để hiểu rõ vai trò của một chất vô hình gọi là vật chất tối đóng vai trò trong cuộc sống vũ trụ của chúng ta kể từ Vụ nổ lớn và ý nghĩa của số phận chúng ta.
Sau khi phát hiện ra rằng vũ trụ của chúng ta chủ yếu bao gồm vật chất tối vào cuối những năm 1960, các nhà khoa học đã suy đoán về vai trò của nó trong việc hình thành các thiên hà và khả năng sinh ra những ngôi sao mới theo thời gian.
Theo lý thuyết Big Bang, không lâu sau khi vũ trụ được sinh ra, một nhà vật lý chất vô hình và khó nắm bắt đã gọi vật chất tối bắt đầu tụ lại với nhau bởi lực hấp dẫn thành những đám mây khổng lồ gọi là vật chất tối. Khi các halo tăng kích thước, chúng thu hút khí hydro thưa thớt thấm vào vũ trụ để kết hợp với nhau và tạo thành các ngôi sao và thiên hà mà chúng ta thấy ngày nay. Trong lý thuyết này, vật chất tối đóng vai trò là xương sống của các thiên hà, chỉ ra cách chúng hình thành, hợp nhất và phát triển theo thời gian.
Để hiểu rõ hơn về vật chất tối đã định hình lịch sử vũ trụ này như thế nào, Peter Behroozi, trợ lý giáo sư thiên văn học tại Đại học Arizona, và nhóm của ông đã tạo ra vũ trụ của riêng mình bằng siêu máy tính của trường. 2.000 bộ xử lý của máy tính đã hoạt động không ngừng trong vòng ba tuần để mô phỏng hơn 8 triệu vũ trụ độc đáo. Mỗi vũ trụ đều tuân theo một bộ quy tắc riêng để giúp các nhà nghiên cứu hiểu được mối quan hệ giữa vật chất tối và sự tiến hóa của các thiên hà.
"Trên máy tính, chúng ta có thể tạo ra nhiều vũ trụ khác nhau và so sánh chúng với vũ trụ thực tế và điều đó cho phép chúng ta suy ra quy tắc nào dẫn đến quy tắc mà chúng ta thấy", Behroozi nói trong một tuyên bố.
Trong khi các mô phỏng trước đây tập trung vào việc mô hình hóa các thiên hà đơn lẻ hoặc tạo ra các vũ trụ giả với các tham số hạn chế, UniverseMachine là phạm vi đầu tiên trong phạm vi của nó. Chương trình liên tục tạo ra hàng triệu vũ trụ, mỗi vũ trụ chứa 12 triệu thiên hà và mỗi vũ trụ được phép phát triển gần như toàn bộ lịch sử của vũ trụ thực từ 400 triệu năm sau Vụ nổ lớn cho đến ngày nay.
"Câu hỏi lớn là," Các thiên hà hình thành như thế nào? "", Nhà nghiên cứu Risa Wechsler, giáo sư vật lý và vật lý thiên văn tại Đại học Stanford cho biết. "Điều thực sự thú vị về nghiên cứu này là chúng ta có thể sử dụng tất cả dữ liệu chúng ta có về quá trình tiến hóa của thiên hà - số lượng thiên hà, chúng có bao nhiêu ngôi sao và cách chúng hình thành những ngôi sao đó - và đưa chúng thành một bức tranh toàn diện về cái cuối cùng 13 tỷ năm của vũ trụ. "
Tạo một bản sao của vũ trụ của chúng ta, hoặc thậm chí của một thiên hà, sẽ đòi hỏi một sức mạnh tính toán không thể giải thích được. Vì vậy, Behroozi và các đồng nghiệp đã thu hẹp sự tập trung của họ vào hai tính chất chính của các thiên hà: khối lượng sao kết hợp của chúng và tốc độ chúng sinh ra những cái mới.
"Mô phỏng một thiên hà duy nhất cần 10 đến 48 thao tác tính toán", Behroozi giải thích, đề cập đến một hoạt động trị giá một triệu, hoặc 1 theo sau là 48 số không. "Tất cả các máy tính trên Trái đất kết hợp không thể làm điều này trong một trăm năm. Vì vậy, để chỉ mô phỏng một thiên hà duy nhất, huống hồ là 12 triệu, chúng ta phải làm điều này khác đi."
Khi chương trình máy tính sinh ra các vũ trụ mới, nó đoán ra tốc độ hình thành sao của thiên hà có liên quan đến tuổi của nó, tương tác trong quá khứ của nó với các thiên hà khác và lượng vật chất tối trong quầng sáng của nó. Sau đó, nó so sánh mỗi vũ trụ với các quan sát thực tế, tinh chỉnh các tham số vật lý với mỗi lần lặp để phù hợp hơn với thực tế. Kết quả cuối cùng là một vũ trụ gần giống với vũ trụ của chúng ta.
Theo Wechsler, kết quả của họ cho thấy tốc độ các thiên hà sinh ra các ngôi sao có mối liên hệ chặt chẽ với khối lượng của các nửa vật chất tối của chúng. Các thiên hà có khối lượng quầng vật chất tối tương tự như Dải Ngân hà của chúng ta có tỷ lệ hình thành sao cao nhất. Cô giải thích rằng sự hình thành sao bị kìm hãm trong các thiên hà lớn hơn bởi sự phong phú của các hố đen
Những quan sát của họ cũng thách thức niềm tin từ lâu rằng vật chất tối kìm hãm sự hình thành sao trong vũ trụ sơ khai.
"Khi chúng ta quay trở lại sớm hơn và sớm hơn trong vũ trụ, chúng ta sẽ hy vọng vật chất tối sẽ đậm đặc hơn và do đó khí sẽ ngày càng nóng hơn. Điều này rất tệ cho sự hình thành sao, vì vậy chúng ta đã nghĩ rằng nhiều thiên hà vào đầu vũ trụ đáng lẽ đã ngừng hình thành sao từ lâu rồi, "Behroozi nói. "Nhưng chúng tôi đã tìm thấy điều ngược lại: Các thiên hà có kích thước nhất định có nhiều khả năng hình thành các ngôi sao với tốc độ cao hơn, trái với dự đoán."
Bây giờ, nhóm nghiên cứu có kế hoạch mở rộng UniverseMachine để thử nghiệm nhiều cách vật chất tối hơn có thể ảnh hưởng đến các tính chất của các thiên hà, bao gồm cả hình dạng của chúng phát triển, khối lượng của các lỗ đen và tần suất sao của chúng đi siêu tân tinh.
"Đối với tôi, điều thú vị nhất là bây giờ chúng ta có một mô hình nơi chúng ta có thể bắt đầu hỏi tất cả những câu hỏi này trong một khuôn khổ hoạt động," Wechsler nói. "Chúng tôi có một mô hình đủ rẻ về mặt tính toán, về cơ bản chúng tôi có thể tính toán toàn bộ vũ trụ trong khoảng một giây. Sau đó, chúng tôi có thể đủ khả năng để thực hiện điều đó hàng triệu lần và khám phá tất cả không gian tham số."
Nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả của họ trong số tháng 9 của tạp chí Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
