2000 년대 초, 소규모 코더-코스 미학자 커뮤니티가 슈퍼 컴퓨터에서 우주의 14 억 년 역사를 시뮬레이션하기 시작했습니다. 그들은 giga 년 대신 몇 달 안에 실행될 수있는 컴퓨터 코드의 절벽 노트 버전 인 Cosmos의 대리를 만들고 실제 우주를 공부하기위한 실험실 역할을하는 것을 목표로했습니다.
시뮬레이션이 훌륭하게 실패했습니다. 페트리 접시의 돌연변이 세포와 마찬가지로, 모의 은하는 모두 잘못 자랐으며, 나선을 부드럽게 회전시키는 대신 과도하게 별이 빛나는 얼룩이되었습니다. 연구원들이 은하의 중심에서 초대형 블랙홀로 프로그래밍했을 때, 블랙홀은 그 은하를 도넛으로 바꾸거나 배회의 괴물처럼 은하계 중심에서 표류했습니다.
그러나 최근 과학자들은 우주 창조의 과학과 예술을 마스터하기 시작한 것 같습니다. 그들은 유아 우주에 존재했던 것처럼 (시뮬레이션 된) 물질의 부드럽고 뜨거운 물질에 물리 법칙을 적용하고 있으며, 체액이 오늘날 우주 코스와 같은 나선 은하와 은하계로 진화하는 것을 보는 것입니다.
."난 좋아 했어,와, 믿을 수 없어!" Carnegie Mellon University의 수치 우주 학자 인 Tiziana Di Matteo는 2015 년에 처음으로 몇 가지 주요 시뮬레이션 시리즈 중 하나 인 Bluetides의 초기 실행에서 현실적인 나선 은하를 보았습니다. "당신은 단지 많은 코드 라인이기 때문에 당신은 놀랍습니다."
Mock-Universe Verisimilitude가 도약하면서 연구원들은 이제 시뮬레이션을 실험실로 사용하고 있습니다. 매번 달리기마다 코드를 들여다보고 시뮬레이션 된 우주의 특정 특징이 어떻게 그리고 왜 발생하는지 알아낼 수 있으며 잠재적으로 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 설명 할 수 있습니다. 새로 기능적 인 프록시는 보이지 않는 물질의 84 %에 대한 설명과 가설에 영감을주었습니다. 표준 암흑 물질 가설에 대한 의문을 제기 한 실제 은하에 대한 이전의 망원경 관찰은 최첨단 팩스에서 설명되고 있습니다.
이 시뮬레이션은 또한 초기 우주의 형성이 신비로운 채로 남아있는 은하의 중심을 고정하는 초대형 블랙홀에 대한 Di Matteo 가상 접근과 같은 연구자들에게도 부여되었습니다. "이제 우리는이 모델을 실제로 사용하여 완전히 새로운 예측을 할 수있는 흥미로운 장소에 있습니다."라고 그녀는 말했습니다.
블랙홀 엔진 및 슈퍼 버블 쇼크파
약 15 년 전까지, 대부분의 우주 시뮬레이션은 현실적인 은하를 형성하려고 시도하지 않았습니다. 그들은 표준 가설에서 중력으로 만 상호 작용하는 암흑 물질 만 모델링하여 우리가 보는 복잡한 원자보다 코딩하기가 훨씬 쉽습니다.
.다크 미터 전용 시뮬레이션은 보이지 않는 물질의 둥근 "후광"이 자발적으로 올바른 크기와 모양으로 자발적으로 형성되어 잠재적으로 눈에 띄는 은하를 형성 함을 발견했습니다. 독일 하이델베르크 대학교 (Heidelberg University)의 주요 코더-코스 머스 (Volker Springel)는 다음과 같이 말했습니다 :“이러한 계산은 두 가지 이상한 구성 요소, 즉 암흑 물질과 암흑 에너지에도 불구하고 현재 표준의 우주 론적 모델이 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 꽤 유망한 예측임을 입증하는 데 중요한 역할을했습니다.”
.그런 다음 연구원들은 눈에 보이는 물질을 코드에 추가하기 시작하여 천문학적으로 어려움을 강화했습니다. 암흑 물질 후광과 달리, 상호 작용하는 원자는 우주가 펼쳐지면서 복잡하게 진화하여 별이나 초신성과 같은 환상적인 대상을 일으킨다. 물리학을 완전히 코딩 할 수 없었기 때문에 코더는 단순화하고 생략해야했습니다. 모든 팀은이 요약에 대해 다른 접근 방식을 취하고 주요 천체 물리학으로 본 것을 선택하고 프로그래밍했습니다.
그런 다음 2012 년, Potsdam의 Leibniz Institute for Astrophysics의 Cecilia Scannapieco의 연구에 따르면 현장에 모닝콜을했습니다. 캐나다의 맥 마스터 대학교 (McMaster University)의 제임스 웨슬리 (James Wadsley)는“그녀는 많은 사람들이 모든 코드로 같은 은하계를 운영하도록 설득했다. "그리고 모두가 잘못되었습니다." 그들의 은하는 모두 다르게 보였고“모두가 너무 많은 별을 만들었습니다.”
Scannapieco의 연구는“당황 스러웠습니다”라고 Wadsley는 말했습니다.“사람들이 두 배가되어 블랙홀이 필요하다는 것을 깨달았을 때, 신뢰할 수있는 은하를 만들기 위해서는 초신성이 더 잘 작동해야했습니다. 실제 은하에서 그와 다른 사람들은 별 생산이 줄어들고 있다고 설명했다. 은하가 연료가 낮아지면 조명이 타 버리고 교체되지 않습니다. 그러나 시뮬레이션에서 Wadsley는 가스가 쫓겨나지 않았기 때문에 늦은 단계 은하가“여전히 미친 것처럼 별을 만들고있다”고 말했다.
.최신 시뮬레이션에서 문제를 해결 한 두 가지 중요한 업데이트 중 첫 번째는 나선형 은하 센터에서 초대형 블랙홀을 추가하는 것입니다. 시공간 직물의 상충되게 밀집된 바닥이없는 구덩이, 수십억 달러 이상의 무게는 연료 연소 엔진 역할을하며, 주변 별, 가스 및 먼지를 지저분하게 먹고 제트라고 불리는 광선 검 같은 빔에서 잔해물을 외부로 뿌립니다. 그들은 오늘날의 나선 은하가 예전보다 별이 적은 주된 이유입니다.
다른 새로운 주요 성분은 초신성입니다. 그리고 빠른 연속으로 폭발하는 수백 개의 초신성의 충격파에서 형성된“슈퍼 볼블”입니다. 2015 년에 슈퍼 버블을 통합 한 Wadsley는“수백만 년이 넘는 작은 은하가 혼란스러워 할 수있다”고 말했다. 그것들은 별들이 클러스터로 살고 죽는 경향이 있기 때문에, 거대한 가스 구름이 무너지면서 나중에 약 백만 년 이내에 초신성을 가면서 수십만 명이 형성되기 때문에 발생합니다. Superbubbles는 가스와 먼지를 청소하고 별 형성을 억제하고 나중에 반환하기 전에 밀려 난 물질을 저어주는 데 도움이됩니다. 그들의 포함은 작은 시뮬레이션 된 은하를 훨씬 더 현실적으로 만들었습니다.
Queensborough Community College와 뉴욕의 미국 자연사 박물관의 Wry 젊은 수치 우주 학자 인 Jillian Bellovary는 2008 년에 최초의 블랙홀을 코딩하여 2008 년에 가솔린에 넣었습니다. 물리학의 수많은 물리학을 건너 뛰거나 단순화하면서 블랙 홀이 가스의 기능과 온도로 흘러 들어가야하는 가스를 프로그램해야합니다. 다른 사람들은 나중에 Bellovary의 작품을 기반으로하는 것, 가장 중요한 것은 모의 은하의 중심에 블랙홀을 고정시키는 방법을 알아내는 동시에 많은 가스를 날려 가서 은하계 도넛을 형성하는 것을 막는 것입니다.
.수십만 개의 은하를 위해이 물리학을 한 번에 시뮬레이션하는 데는 엄청난 컴퓨팅 힘과 영리가 필요합니다. 현대 슈퍼 컴퓨터는 단일 칩에 포장 할 수있는 트랜지스터의 수를 본질적으로 최대한 활용 한 후 콘서트에서 숫자를 위기에 처한 100,000 개의 병렬 코어에 걸쳐 바깥쪽으로 확장되었습니다. 코더는 시뮬레이션 된 우주의 일부 부분이 빠르고 복잡하게 진화하는 반면 다른 곳에서는 거의 발생하지 않을 때 쉬운 작업이 아니라 코어를 분할하는 방법을 알아 내야했습니다. 연구원들은 필요에 따라 컴퓨터 자원을 적응 적으로 할당하는 알고리즘 으로이 거대한 동적 범위를 다루는 방법을 찾았습니다.
그들은 또한 다양한 물류 전투에서 싸웠고 승리했습니다. 예를 들어,“같은 가스를 섭취하는 두 개의 블랙홀이 있다면 슈퍼 컴퓨터의 두 개의 다른 프로세서에서 동일한 입자를 먹지 않는 블랙홀이 어떻게 있습니까?”라고 Bellovary는 말했습니다. 병렬 프로세서는“서로 대화해야한다”고 말했다.
어두운 물질 저장
시뮬레이션은 마침내 과학에 사용될 정도로 잘 작동합니다. Bluetides와 함께 Di Matteo와 Collaborators는 우주의 첫 6 억 년 동안 은하 형성에 중점을두고 있습니다. 어쨌든, 그 기간 동안 암흑 물질 후광의 중심에 상처를 입은 초대형 블랙홀이 상처를 입히고 가시 가스와 먼지의 회전하는 치마를 당기는 데 도움이되었습니다. 알려지지 않은 것은 어떻게 그렇게 빨리 커 졌는지입니다. Bluetides에서 목격 된 한 가지 가능성은 유아 우주의 과도한 패치에서 Gargantuan 가스 구름의 중력 붕괴로 자발적으로 형성된 초대형 블랙홀입니다. Di Matteo는“우리는 Bluetides 시뮬레이션을 사용하여 실제로이 첫 은하와 블랙홀 인구가 어떤지 예측했습니다. 시뮬레이션에서는 신생아의 초대형 블랙홀 주변에서 피클 모양의 원자 갤러리와 미니어처 나선이 형성되는 것을 볼 수 있습니다. 미래의 망원경 (제임스 웹 우주 망원경 포함, 2020 년에 출시 될 예정)은 우주를 깊이 들어가서 은하계의 탄생으로 돌아가는 시간을 관찰하면서 코드로 들어간 방정식을 테스트 할 것입니다.
이 앞뒤 게임의 또 다른 리더는 California Institute of Technology의 교수 인 Phil Hopkins입니다. 그의 코드 인 Fire는 고해상도에서 상대적으로 적은 양의 우주를 시뮬레이션합니다. Hopkins는“다른 많은 사람들이없는 방식으로 결의안을 추진했습니다.”라고 Wadsley는 말했습니다. "그의 은하는 매우 좋아 보인다." Hopkins와 그의 팀은 은하수를 공전하는“Dwarf Galaxy”위성과 같은 가장 현실적인 작은 은하를 만들었습니다.
.이 작고 희미한 은하들은 항상 문제를 제시했습니다. 예를 들어, "위성 문제"는 표준 차가운 암흑 물질 모델을 기반으로 한 수백 개의 위성 은하가 모든 나선형 은하를 공전해야한다는 기대입니다. 그러나 은하수는 수십 개만 있습니다. 이로 인해 일부 물리학 자들은 더 복잡한 암흑 물질 모델을 생각하게 만들었습니다. 그러나 Hopkins와 동료들이 현실적인 슈퍼 볼블을 시뮬레이션에 통합했을 때, 그들은 과도한 위성 은하 중 많은 사람들이 사라지는 것을 보았습니다. Hopkins는 또한 Cold Dark Matter 패러다임에 어려움을 겪은 "Cusp-Core"와 "Too-Big-to-Fail"이라는 다른 두 가지 문제에 대한 잠재적 인 해결책을 발견했습니다.
업그레이드 된 시뮬레이션을 통해 Wadsley, Di Matteo 등은 암흑 물질이 전혀 존재한다는 사례를 강화하고 있습니다. 어쩌면 암흑 물질에 대한 의심의 가장 큰 원천은 은하의 눈에 보이는 부분 사이의 호기심이 있습니다. 즉, 별이 궤도로 둘러싸인 가시적 물질의 양과 밀접한 추적하는 속도는 별이 암흑 물질 후광의 중력에 의해 구동 되더라도, 궤도를 궤도로 둘러싸는 양과 밀접하게 추적하는 속도. 별을 가속화하는 암흑 물질이 너무 많아서 별의 움직임이 눈에 띄는 물질의 양과 관련이있을 것으로 기대하지 않을 것입니다. 이 관계가 암흑 물질 프레임 워크 내에 존재하기 위해, 은하에서 암흑 물질과 가시적 물질의 양은 미세 조정되어야하고, 그들 자신과 밀접한 상관 관계가 있고 은하 회전 속도가 어느 쪽이든 추적해야합니다.
.수정 된 Newtonian Dynamics 또는 Mond라는 대안 이론은 암흑 문제가 없다고 주장한다. 오히려, 가시적 인 물질은 은하 외곽에서 예상보다 강한 중력을 발휘합니다. Mond는 유명한 역 제곱 중력 법칙을 약간 조정함으로써 관찰 된 은하 회전 속도를 크게 일치시킵니다 (암흑 물질에 기인 한 다른 현상을 설명하는 데 어려움이 있지만)
.Case Western Reserve University의 우주 학자 Stacy McGaugh와 공동 작업자가 별의 회전 속도와 가시적 물질 사이의 관계가 다양한 실제 은하에 걸쳐 얼마나 엄격한지를 보여 주었을 때 미세 조정 문제는 2016 년에 급격한 것으로 나타났습니다. 그러나 McGaugh의 논문은 수치 우주론 커뮤니티의 3 개의 빠른 기쁨을 만났습니다. 세 팀 (Wadsley; 다른 하나, Di Matteo; 빅토리아 대학의 Julio Navarro가 이끄는 세 번째 팀)은 시뮬레이션의 결과를 발표하여 관계가 어두운 곳으로 가득 찬 은하에서 자연스럽게 발생한다는 것을 나타내는 시뮬레이션 결과를 발표했습니다.
추운 암흑 물질 후광에 대한 표준 가정을 만들어 연구원들은 McGaugh의 샘플과 같은 은하를 시뮬레이션했습니다. 그들의 은하는 결국 관찰 된 것과 매우 유사한 선형 관계를 보여 주었고, 암흑 물질은 실제로 가시적 인 물질을 밀접하게 추적한다는 것을 시사합니다. Wadsley는“우리는 본질적으로 그들의 관계에 적합합니다. 그와 그의 당시 벤 켈러는 맥 가우의 논문을보기 전에 시뮬레이션을 실행했다.“그래서 우리는 우리 모델에 대한 조정이 필요하지 않고 관계를 재현 할 수 있다는 사실이 상당히 말하고 있다고 말했다.
현재 실행중인 시뮬레이션에서 Wadsley는 McGaugh의 샘플에서 Galaxy 유형의 전체 범위에 대한 관계가 유지되는지 여부를 테스트하기 위해 더 많은 양의 Mock Universe를 생성하고 있습니다. 그렇다면 차가운 암흑 물질 가설은이 quandary로부터 안전 해 보인다. 왜 암흑 물질과 가시적 물질이 시뮬레이션에 기초하여, 은하에서 매우 밀접하게 상관되는 이유에 관해서는, Navarro와 동료들은 은하 형성 동안 중력과 함께 작용하는 각 운동량에 기인한다.
.암흑 물질에 대한 의문 외에도 은하 시뮬레이션 코드는 계속 개선되고 다른 미지의 사람들을 반영합니다. Springel과 Collaborators의 많은 음란하고 진행중인 Illustristng 시뮬레이션 시리즈에는 처음으로 대규모 자성 필드가 포함되어 있습니다. Bellovary는“자기장은 천문학 에서이 유령과 같다”고 설명했다. Springel은 그들이 은하 바람 (또 다른 수수께끼)에 영향을 줄 수 있다고 생각하며 시뮬레이션은 이것을 테스트하는 데 도움이 될 것입니다.
Hopkins는 큰 목표는 각각 다른 기간이나 공간 규모로 전문화하는 많은 시뮬레이션을 결합하는 것이라고 말했다. "당신이하고 싶은 것은 모든 척도를 타일뿐입니다."라고 그는 말했습니다.“각 단계에서 소규모 이론과 관찰을 통해 모든 척도에 필요한 이론과 입력을 제공 할 수있는 곳.”
.최근의 개선으로 연구원들은“충분히 좋다”고 말할 때 철학적 논쟁이 이어졌다 고 말했다. 너무 많은 천체 물리적 종과 휘파람을 시뮬레이션에 추가하면 결국 어떤 원인을 말하는 것을 말하기가 점점 더 어려워서 결국 유용성을 제한 할 수 있습니다. Wadsley가 말한 것처럼,“우리는 진짜 우주 대신 가짜 우주를 관찰 할 것입니다.”
이 기사는 Wired.com에서 재 인쇄되었습니다.
