갤럭시 시뮬레이션은 마침내 현실과 일치하며 우주 진화에 대한 놀라운 통찰력을 생성합니다.

패서 디나에있는 캘리포니아 기술 연구소 (California Institute of Technology)의 이론적 천체 물리학자인 필립 홉킨스 (Philip Hopkins)는 동료들을 장난하고 싶어합니다. 은하의 형성을 시뮬레이션하는 전문가 인 Hopkins는 때때로 실제 은하의 사진 옆에 그의 창조물의 이미지를 투사하고 청중을 무시하여 그들을 구별하여 이야기를 시작합니다. 현실적인 환경 시뮬레이션의 피드백 인 Fire의 리더 인 Hopkins는“우리는 천문학자를 속일 수 있습니다. "물론, 모델이 정확하다는 것은 보장되지는 않지만, 당신이 올바른 길을 가고 있는지에 대한 내장 점검입니다."

수십 년 동안 과학자들은 빅뱅 이후 가스 구름에서 관찰 가능한 우주의 수조 은하가 어떻게 생겼는지 시뮬레이션하려고 노력했습니다. 그러나 지난 몇 년 동안 더 빠른 컴퓨터와 더 나은 알고리즘 덕분에 시뮬레이션은 개별 은하의 세부 사항과 질량과 모양의 전반적인 분포를 정확하게 캡처하는 결과를 생성하기 시작했습니다. 펜실베이니아 주 피츠버그에있는 카네기 멜론 대학교 (Carnegie Mellon University)의 수치 우주 학자이자 블루 테 데더스 시뮬레이션의 리더 인 티지 아나 디 마테오 (Tiziana Di Matteo)는“모든 것이 진보가 더 빠르고 빠르게 진행되는이 작은 황금 시대에 도달했다.

가짜 우주가 향상됨에 따라 그들의 역할도 바뀌고 있습니다. 수십 년 동안 정보는 한 가지 방법으로 흐릅니다. 천문학 자에서 실제 은하를 연구하는 모델러에 이르기까지 모델을 시뮬레이션하려는 모델러에 이르기까지. 영국 브라이튼에있는 서 섹스 대학교 (University of Sussex)의 초 이성 천문학자인 스티븐 윌킨스 (Stephen Wilkins)는 Bluetides에서 일하고있는 스티븐 윌킨스 (Stephen Wilkins)는 우리도 천문학자를 돕는 모델들과 함께 다른 방식으로 흐르고 있다고 말했다. NASA의 James Webb Space Telescope가 2020 년에 출시 될 때 무엇을 볼 수 있는지 예측하고 우주로 깊숙이 들어가서 멀리 떨어진 곳을 예측하기 위해 Bluetides를 사용하고있는 Wilkins는“과거에는 시뮬레이션이 항상 관찰을 따라 잡으려고 노력하고있었습니다. "이제 우리는 우리가 관찰하지 못한 것을 예측할 수 있습니다."

예를 들어, 모델은 가장 초기의 은하가 이상하게 피클 모양이며, 웨이퍼-얇은 나선형 은하가 충돌에 직면하여 놀랍게도 견고하고 우주의 진화를 설명하기 위해 은하는 천체 물리학 자보다 훨씬 느리게 별을 형성해야합니다.

시뮬레이션은 또한주의 깊게 들립니다. 일부 우주론 학자들은 은하 형성이 궁극적으로 몇 가지 기본 규칙에 의해 지배되는 비교적 간단한 과정으로 밝혀지기를 희망합니다. 그러나 모델러는 자신의 가짜 우주는 성숙한 십대와 마찬가지로 은하가 예측할 수 없다고 제안합니다. 예를 들어, 왜 우아한 나선으로 변하는 지 말하기는 어렵지만 다른 하나는 얼룩으로 진화합니다. 윌킨스는“우리가 한 모든 갤럭시 형성의 물리학이 엄청나게 지저분하다는 것이 분명하다”고 말했다.

우주를 요리하기 전에 재료를 알아야합니다. 다양한 측정에서 우주 학자들은 우주의 질량과 에너지의 5%만이 별과 행성에서 같은 일반적인 문제라고 추론했습니다. 또 다른 26%는 지금까지 중력을 통해서만 상호 작용하는 것으로 보이는 신비한 암흑 물질로 구성되어 있으며 아마도 일부 발견되지 않은 입자로 구성됩니다. 나머지 69%는 공간을 확장하고 우주의 확장 속도를 높이는 에너지의 한 형태입니다. 그 "암흑 에너지"는 공간 자체의 진공 청소기 자체의 특성 일 수 있으므로 물리학 자들은 그것을 우주론 상수라고 부릅니다.

우주 학자들은 레시피의 기본 단계를 알고 있습니다. 우주는 아 원자 입자의 뜨겁고 조밀 한 수프로 빅뱅에 존재하게되었습니다. 1 초 동안, 그것은 인플레이션이라고 불리는 지수 성장 박차를 겪었고, 이는 입자 수프의 무한 양자 변동을 gargantuan 잔물결로 확장시켰다. 천천히, 암흑 물질의 조밀 한 영역은 그들 자신의 중력 아래에서 우주 웹으로 알려진 광대 한 덩어리와 필라멘트로 합쳐졌습니다. 암흑 물질의 중력에 매료 된 가스는 덩어리에 고정되어 후광이라고도 불렀으며 별이라는 수소의 융합 볼에 압축되었습니다. 빅뱅 이후 5 억 년이 지났을 때, 첫 은하가 형성되었습니다. 향후 130 억 년 동안, 그들은 우주의 중력 조류를 표류하고 서로 합병하여 성장할 것입니다.

컴퓨터 시뮬레이션은 그 이론을 개발하는 데 도움이되었습니다. 1980 년대에 그들은 관찰 된 은하의 클러스터에 결합 할만 큼 큰 덩어리를 형성하기 위해 암흑 물질 입자가 느리게 움직이고 차갑게되어야한다는 것을 보여 주었다. 우주론 상수를 가정하는 기본 이론은 λ 냉기 암흑 물질 (λCDM)으로 알려졌습니다. 이론이 더 세련되면서 시뮬레이션도 마찬가지였습니다. 2005 년 독일 Garching의 Max Planck Astrophysics 연구소의 연구원들이 이끄는 밀레니엄 시뮬레이션은 클러스터, 스레드 및 시트의 공간을 통해 은하가 어떻게 흩어져 있는지에 대한 구조가 밀접하게 일치하는 우주 웹의 렌더링을 만들어 냈습니다.

그러나 밀레니엄과 유사한 시뮬레이션은 근본적인 단점으로 어려움을 겪었습니다. 그들은 암흑 물질의 중력 상호 작용 만 모델링했는데, 과학자들이 아는 한 암흑 물질은 마찰이나 저항없이 그 자체로 흐르기 때문에 시뮬레이션하기가 쉽습니다. 후광이 형성되면 프로그램은 특정 임시 규칙에 따라 다양한 크기와 모양의 은하를 삽입했습니다. 버클리의 UC (University of California)의 우주 학자 인 Yu Feng은 이러한 시뮬레이션에서 "근본적인 가정은 은하가 후광을 차지하고 그들에게 아무것도하지 않는다는 것"이라고 말했다. "상호 작용은 모두 한 가지 방법입니다."

이제 모델러에는 일반적인 물질의 상호 작용 자체와 암흑 물질과의 상호 작용이 포함되어 있습니다. 암흑 물질과는 달리, 일반 물질은 압박 될 때 가열되어 빛과 기타 전자기 방사선이 발생하여 문제를 밀어냅니다. 그 복잡한 피드백은 가스 구름이 빛나는 별으로 무너지고, 별이 초신성 폭발로 폭발하고, 블랙홀은 가스를 삼키고 방사선을 뿌릴 때 극단적 인 피드백에 도달합니다. 은하의 행동에 비판적으로, 그러한 물리학은 유체 역학의 방정식을 사용하여 모델링해야합니다.

일반적으로, 모델러는 공간을 서브 폴륨의 3D 그리드로 나누거나 어둡고 일반적인 물질의 질량을 입자의 떼로 변형시켜 공간을 수십억 비트로 분해하여 문제를 공격합니다. 그런 다음 시뮬레이션은 백만 년 단계에서 우주 시간을 통과하는 동안 해당 요소 간의 상호 작용을 추적합니다. 계산은 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터조차도 긴장합니다. 예를 들어, Bluetides는 푸른 물에서 실행됩니다. 이는 일리노이 대학교의 Urbana의 슈퍼 컴퓨터 인 푸른 물에서 실행됩니다. 모델을로드하면 컴퓨터의 메모리의 90%를 소비한다고 Feng은 말합니다.

수년 동안 그러한 시뮬레이션은 너무 가스가 많고 거대하며 대담한 은하를 생산했습니다. 그러나 컴퓨터 전력이 증가했으며, 더 중요한 방사선 단체 피드백 모델이 개선되었습니다. 이제, 유체 역학적 시뮬레이션은 올바른 질량과 모양의 올바른 은하, 즉 스피얼 디스크, 쪼그리고 앉는 타원, 구형 난쟁이 및 홀수 볼 불규칙의 올바른 은하를 생산하기 시작했습니다. "최근까지 시뮬레이션 분야는 나선형 은하를 만들기 위해 고군분투했다"고 그는 말했다. "지난 5 년 동안 우리는 당신이 그들을 만들 수 있음을 보여주었습니다."

이 모델은 이제 사람들과 마찬가지로 은하가 뚜렷한 삶의 단계를 거치는 경향이 있음을 보여줍니다. 어릴 때, 은하계는 활동에 뿌리를 둔다. 하나의 합병이 다른 뻗어와 뒤틀어지면서 별 형성의 분출을 유도한다. 수십억 년이 지난 후, 은하계는 비교적 온화하고 안정적인 중년에 정착하는 경향이 있습니다. 나중에, 그것은 가스를 잃어 버릴 때 노화에 빠질 수도 있고 별을 만드는 능력이 있습니다. 우리 은하수 전환이 지금 만들고있는 것처럼 보인다고 Hopkins는 말합니다. 그러나 청소년기의 거칠고 폭력적인 회전은 은하계의 특별한 길을 예측하기 어렵게 만듭니다.

시뮬레이션은 완벽하지 않습니다. 시뮬레이션은 초신성 및 은하의 중심 블랙홀과 같은 바람과 방사선과 같은 척도에 대한 피드백 효과의 중요성을 나타내지 만 개별 별을 모델링하는 데 가까워 질 수 없습니다. 대신, 각 그리드 요소 또는 입자는 시뮬레이션의 해상도에 따라 수백에서 수백만에서 수백만의 태양열 별과 가스를 나타냅니다. 그런 다음 연구원들은 임시 "하위 그리드"규칙을 사용하여 모든 자료가 평균적으로 어떻게 행동하는지 설명합니다. 예루살렘 히브리 대학교의 우주 학자이자 Vela 시뮬레이션의 리더 인 Avishai Dekel은“안개가 자욱한 안경을 쳐다보고 완벽하게 볼 수없는이 모양을 묘사하려고하는 것과 같습니다.

우리가 한 모든 일에서 은하 형성의 물리학이 엄청나게 지저분하다는 것이 분명합니다.

• Sussex 대학교 Stephen Wilkins

이러한 임시 규칙에는 연구자들이 다른 대중의 은하계의 키와 같은 우주의 알려진 특징을 재현하기 위해 조정하는 수십 가지 매개 변수가 포함됩니다. 그 조정은 모델이 그림처럼 현실을 설명하는지 또는 단순히 그것을 모방하는지에 대한 의문을 제기합니다. 그러나 연구자들은 튜닝에 크게 의존하는 예측을 피하는 한 모델이 신뢰할 수 있어야한다고 말합니다. Di Matteo는“우리는 서브 그리드 처방전에서 벗어나지 않을 것입니다. "하지만 이것은 일종의 마술이 아닙니다. 여전히 물리학입니다."

이 모델은 이미 오랫동안 오래된 가정을 뒤집 었습니다. 예를 들어, 천체 물리학 자들은 우리 은하수와 같은 두 개의 섬세한 디스크 은하가 충돌하고 합병 할 때 그 과정이 단일 블로브 비 타원 은하에 들어갈 것이라고 믿었습니다. 그러나이 모델은 가스가 충분한 가스를 보유하면 나선 은하가 예상보다 힘들다는 것을 보여줍니다. Springel은“디스크는 부분적으로 살아남고 너무 빨리 회복하고 있습니다. 그 발견은 큰 놀라움이라고 홉킨스는 말한다.

Vela와 함께 일하는 UC Santa Cruz의 천문학자인 Sandra Faber는 은하계 크기를 결정하는 것에 대한 일반적인 설명도 무너 졌다고 말합니다. 천체 물리학 자들은 갤럭시의 크기가 암흑 물질의 후광 스핀에 의해 결정되었다고 가정했으며, 더 빠른 스핀 후광은 더 크고 더 확산 된 은하를 생산한다고 그녀는 말했다. 그러나 시뮬레이션은 그러한 연결을 보여주지 않는다고 덧붙였다. Faber는“우리는 이제 손실을 입고 있습니다. "큰 은하계가 크고 작은 은하가 작은 이유는 무엇입니까?"

신생아의 모양은 또 다른 놀라움을 일으 킵니다. 오늘날 대부분의 은하는 평평한 구체와 같은 구형 또는 직무입니다. 타원형은 비누의 둥근 케이크처럼 두껍습니다. 디스크는 훨씬 더 평평합니다. 그러나이 모델들은 우주 초기에 떠오르는 은하계가 넓은 것보다 넓어 졌다고 Faber는 말합니다. "그들은 피클"이라고 그녀는 말한다. "당신은 가스에서 피클을 만들려고 노력합니다. 쉽지 않습니다." NASA의 허블 우주 망원경은이 피클 모양의 은하의 예를 발견하기 시작했다.

이 모델은 관찰자가 발견 할 수있는 다른 미묘한 현상을 예측합니다. 예를 들어, 천체 물리학 자들은 가스가 모든 방향에서 똑같이 성장하는 은하로 흐르는 것으로 가정했습니다. 그러나 시뮬레이션은 가스가 후광을 우주 웹에 연결하는 암흑 물질 필라멘트를 따라 흐르는 냉장에서 은하에 쏟아져 나옵니다. 칠레의 66 개의 라디오 요리 배터리 인 Atacama 대형 밀리미터/서브 밀리미터 어레이를 가진 관찰자들은 스트림의 증거를 위해 우주로 들어가기 시작했습니다.

시뮬레이션이 훌륭하고 작은

시뮬레이션은 또한 λCDM의 기본 이론을 테스트하는 것을 목표로합니다. 실제 및 시뮬레이션 된 은하를 비교함으로써 연구원들은 암흑 물질이 중력을 통해서만 상호 작용한다는 가정을 테스트 할 수 있습니다. 불일치가 새로운 상호 작용을 가리키고 입자 이론가들이 암흑 물질이 무엇인지 알아내는 데 도움이 될 수 있습니다.

지금까지는 아무도 보이지 않았지만 새로운 시뮬레이션은 관찰과 초기 암흑 물질, 시뮬레이션 사이의 불일치를 패치했습니다. 예를 들어, 20 년 전, 이러한 시뮬레이션은 더 큰 암흑 물질의 후광의 떼를 낳았으며, 이는 우리 은하계와 같은 은하계가 수백 개의 난쟁이 위성 은하로 둘러싸여 있어야한다고 제안했습니다. 그러나 몇 명만이 발견되었습니다. 그 적자는 누락 된 사 텔라이트 문제라고 불렸다.

그러나 평범한 문제를 혼합하면 예측이 바뀝니다. 어둡고 평범한 물질 사이의 중력 푸시와 당기는 것은 물건을 부드럽게하여 작은 후광의 수를 줄입니다. 등장하는 사람들에게서, 초신성에 의한 바람은 후광의 상대적으로 약한 중력 당김을 압도하고 가스를 날려 버리는 경향이 있습니다. Springel은 관찰자들이 은하계를 둘러싼 59 개의 난쟁이 은하를 발견했으며 관찰과 시뮬레이션 사이의 단절이 크게 사라진다는 사실과 함께 그 과정을 그 과정으로 부부는 말했다. "나는 더 이상 누락 된 사 텔라이트 문제를 더 이상 문제로 보지 못한다"고 그는 말했다.

마찬가지로, 오래된 시뮬레이션은 암흑 물질의 농도가 후광의 중심에서 급격히 피크해야한다고 제안했다. 그러나 근처의 난쟁이 은하에서 별의 속도는 코어에서 암흑 물질이 더 큰 부피에 부드럽게 퍼져 있음을 나타냅니다. 새로운 시뮬레이션은 별의 중력 효과가 암흑 물질을 저어주고 퍼지는 방식을 포착하기 때문에 세부 사항을 올바르게 얻습니다. 홉킨스는“별이 덩어리의 작은 부분이더라도 실제로 후광을 흔들어줍니다.

아마도 지금까지 시뮬레이션의 가장 큰 교훈은 과학자들이 우주론에 대한 주요 이론을 수정해야한다는 것이 아니라, 문제가 작은 규모에서 천체 물리학에 대한 이해에 숨어 있다는 것입니다. 특히, 그들의 별 형성 이론은 원한다고 말했다. 현실적인 은하를 생산하려면 모델러는 천체 물리학자가 기대하는 것에서 가스의 구름이 별을 형성하는 속도를 크게 줄여야한다고 그는 말했다. "기본적으로 분자 구름은 당신이 생각하는 것보다 100 배 느린 별을 형성합니다."

초신성과 초대형 블랙홀의 피드백은 은하에서 가스를 쫓아 내기 때문에 별 형성 깃발이 될 가능성이 높습니다. 불행히도, 이러한 프로세스는 시뮬레이션에서 해결하기에는 너무 작습니다. 모델러가 더 큰 그리드 요소에 초신성의 에너지를 퇴적 할 때, 바람을 생성하는 대신 에너지는 단지 방출됩니다. 마찬가지로, 연구원들은 블랙홀이 가스를 공급하고 X- 레이를 방출하는 적절한 방법을 시뮬레이션 할 수 없습니다. 이러한 핵심 비트의 천체 물리학을 캡처하려면 모델러는 손으로 조정하는 임시 하위 그리드 처방전에 의존해야합니다.

시뮬레이터는 이러한 원유 가정을 물리학을 기반으로 한 모델로 대체하기를 희망합니다. 그렇게하기 위해 그들은 불과 몇 년 만에 분자 구름에서 별의 탄생을 시뮬레이션하고 개별 별의 진화를 시뮬레이션하는 훨씬 더 세밀하게 해결 된 모델을 연구하는 천체 물리학 자의 도움을 받기를 희망합니다. 그 소규모 모델 자체는 진행 중입니다. 예를 들어, 천체 물리학 자들은 초신성 폭발을 모델링하는 데 어려움을 겪고 있습니다.

그럼에도 불구하고, Interstellar Gas를 모델링 한 Princeton University의 천체 물리학자인 Eve Ostriker는 Galaxy 시뮬레이션을 음란 한 발판에 넣는 데 도움이되고 싶어한다고 말합니다. "이것에 대한 관심은 튜닝을 일부 물리학으로 대체하고``좋아요, 이것이 튜닝이 허용되지 않는 것입니다." 희망은 퍼지 요인의 필요성을 최소화하는 방식으로 다른 크기 척도에서 결과를 묶는 것이라고 연구원들은 말했다. Hopkins는“당신이 원하는 것은 전체 범위의 척도에 일관되게 꿰매는 그림입니다.

궁극적으로 관찰과 시뮬레이션을 통해 일부 연구자들은 여전히 ​​은하계가 어떻게 형태와 특성을 얻는 지 설명 할 수있는 통합 된 이야기를 개발하기를 희망합니다. Faber는 극단적 인 위치를 취한 모든 은하가 궁극적으로 질량과 반경의 두 가지 매개 변수로 분류되고 설명 될 것으로 예측합니다. "우리가 단순하게 만드는 것은 지금 만 발견하는 은하 법이 있습니다."

그러나 많은 갤럭시 모델러들은 레시피가 항상 복잡하고 불확실 할 것이라고 믿는다. 은하 형성은 날씨와 같을 수 있으며, 혼란스러운 본질로 인해 정확한 예측이 영원히 도달 할 수 없다고 Springel은 말합니다. "나는 우리가 큰 그림을 이해할 것이지만 세부 사항을 이해하지 못한다는 것이 조금 걱정된다"고 그는 말했다. 이 경우 갤럭시 시뮬레이션의 현실감이 증가하는 것은 우주의 근본적인 복잡성을 강조하는 데 도움이 될 수 있습니다.

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