Galaxy-simulaties komen eindelijk overeen met de realiteit - en produceren verrassende inzichten in kosmische evolutie

Een weergave van het huidige kosmische web met een lichtbreedte van 300 miljoen lichtjaar, gemodelleerd door IllustrisTNG. Sterrenstelsels (goud) hebben geschokt gas (wit) afgeblazen.

TNG SAMENWERKING

Galaxy-simulaties komen eindelijk overeen met de realiteit - en produceren verrassende inzichten in kosmische evolutie

Van Adrian ChoMay. 30, 2018, 12:15 PM

Philip Hopkins, een theoretisch astrofysicus aan het California Institute of Technology in Pasadena, houdt zijn collega's graag voor de gek. Hopkins, een expert in het simuleren van de vorming van sterrenstelsels, begint zijn toespraken soms door beelden van zijn creaties naast foto's van echte sterrenstelsels te projecteren en zijn publiek uit te dagen om ze uit elkaar te houden. "We kunnen zelfs astronomen voor de gek houden", zegt Hopkins, een leider van FIRE, de simulatie van Feedback in realistische omgevingen. "Natuurlijk is het geen garantie dat de modellen accuraat zijn, maar het is een soort buikcontrole dat je op de goede weg bent."

Decennia lang hebben wetenschappers geprobeerd te simuleren hoe de triljoenen sterrenstelsels in het waarneembare universum ontstonden uit gaswolken na de oerknal. Maar in de afgelopen jaren zijn de simulaties dankzij snellere computers en betere algoritmen begonnen met het produceren van resultaten die zowel de details van individuele sterrenstelsels als hun algemene verdeling van massa's en vormen nauwkeurig weergeven. "Het hele ding heeft deze kleine gouden eeuw bereikt waarin vooruitgang sneller en sneller komt", zegt Tiziana Di Matteo, een numerieke kosmoloog aan de Carnegie Mellon University in Pittsburgh, Pennsylvania, en een leider van de BlueTides-simulatie.

Naarmate de nepuniversums verbeteren, verandert ook hun rol. Decennia lang stroomde informatie één kant op: van de astronomen die echte sterrenstelsels bestudeerden tot de modelleerders die ze probeerden te simuleren. Nu stroomt het inzicht ook de andere kant op, met de modellen die astronomen helpen, zegt Stephen Wilkins, een extragalactische astronoom aan de Universiteit van Sussex in Brighton, Verenigd Koninkrijk, die aan BlueTides werkt. "In het verleden probeerden de simulaties altijd de waarnemingen bij te houden", zegt Wilkins, die BlueTides gebruikt om te voorspellen wat NASA's James Webb Space Telescope zal zien wanneer het in 2020 wordt gelanceerd en tuurt diep in de ruimte en ver terug in de tijd. "Nu kunnen we dingen voorspellen die we niet hebben waargenomen."

De modellen suggereren bijvoorbeeld dat de vroegste sterrenstelsels vreemd augurkvormig waren, dat flinterdunne spiraalvormige sterrenstelsels verrassend ruw zijn in het gezicht van botsingen, en dat om de evolutie van het universum te verklaren, sterrenstelsels veel langzamer sterren moeten vormen dan astrofysici verwacht.

De simulaties laten ook een waarschuwing horen. Sommige kosmologen hopen dat de vorming van sterrenstelsels uiteindelijk een relatief eenvoudig proces zal worden, beheerst door een paar basisregels. Modelbouwers zeggen echter dat hun faux universums suggereren dat sterrenstelsels net als volwassen tieners onvoorspelbaar zijn. Het is bijvoorbeeld moeilijk te zeggen waarom de ene in een sierlijke spiraal verandert, maar de andere in een klodder evolueert. "Het is duidelijk uit alles wat we hebben gedaan dat de fysica van de vorming van sterrenstelsels ongelooflijk rommelig is", zegt Wilkins.

Sommige simulaties, zoals BRAND, richten zich op individuele sterrenstelsels.

A. WETZEL, P. HOPKINS EN DE BRANDSAMENWERKING

Voordat je een universum kunt bereiden, moet je de ingrediënten kennen. Uit verschillende metingen hebben kosmologen afgeleid dat slechts 5% van de massa en energie van de kosmos gewone materie is zoals die in sterren en planeten. Nog eens 26% bestaat uit mysterieuze donkere materie die tot nu toe alleen lijkt te interageren door zwaartekracht en vermoedelijk bestaat uit een onontdekt deeltje. De resterende 69% is een vorm van energie die ruimte uitrekt en de expansie van het universum versnelt. Die 'donkere energie' kan een eigenschap zijn van het vacuüm van de ruimte zelf, dus noemen fysici het de kosmologische constante, aangeduid als lambda ( ).

Kosmologen kennen ook de basisstappen van het recept. Het universum ontstond in de oerknal als een hete, dichte soep van subatomaire deeltjes. Binnen een fractie van een seconde onderging het een exponentiële groeispurt genaamd inflatie, die oneindige kwantumfluctuaties in de deeltjessoep in gigantische rimpelingen oprekte. Langzaam vloeiden dichte gebieden met donkere materie onder hun eigen zwaartekracht samen in een enorme kluwen van klompen en filamenten die bekend staan ​​als het kosmische web. Aangetrokken door de zwaartekracht van de donkere materie, vestigde het gas zich in de klonten, ook wel halo's genoemd, en condenseerde in de fuserende ballen van waterstof die sterren worden genoemd. 500 miljoen jaar na de oerknal waren de eerste sterrenstelsels gevormd. In de komende 13 miljard jaar zouden ze drijven op kosmische zwaartekrachtgetijden en groeien door samen te smelten.

Computersimulaties hebben die theorie helpen ontwikkelen. In de jaren tachtig toonden ze aan dat, om klonten te vormen die groot genoeg zijn om de waargenomen clusters van sterrenstelsels te binden, donkere materiedeeltjes langzaam bewegend en koud moesten zijn. De basistheorie, die een kosmologische constante veronderstelt, werd bekend als koude donkere materie ( CDM). Naarmate de theorie verfijnder werd, namen de simulaties dat ook toe. Tegen 2005 produceerde de Millennium-simulatie, geleid door onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Astrofysica in Garching, Duitsland, een weergave van het kosmische web waarvan de structuur nauw overeenkwam met hoe de sterrenstelsels in clusters, draden en bladen door de ruimte worden gestrooid.

Millennium- en soortgelijke simulaties leden echter aan een fundamentele tekortkoming. Ze hebben de gravitatie-interacties van alleen donkere materie gemodelleerd, die gemakkelijk te simuleren zijn, omdat, voor zover wetenschappers weten, donkere materie door zichzelf stroomt zonder wrijving of weerstand. Pas toen de halo's gevormd waren, voegden de programma's sterrenstelsels van verschillende grootte en vorm in, volgens bepaalde ad hoc regels. In dergelijke simulaties: 'De fundamentele veronderstelling is dat de sterrenstelsels de halo's bezetten en er niets mee doen', zegt Yu Feng, een kosmoloog aan de University of California (UC), Berkeley. "De interactie is allemaal in één richting."

Nu omvatten modelleerders de interacties van gewone materie met zichzelf en met donkere materie processen die veel moeilijker te vangen zijn. In tegenstelling tot donkere materie, wordt gewone materie warm als deze wordt samengedrukt, waardoor licht en andere elektromagnetische straling wordt gegenereerd die de materie dan rond duwt. Die complexe feedback bereikt een uiterste wanneer gaswolken instorten in gloeiende sterren, sterren opblazen in supernova-explosies en zwarte gaten slikken gas en spuwen straling. Kritiek voor het gedrag van sterrenstelsels, dergelijke fysica moet worden gemodelleerd met behulp van de vergelijkingen van hydrodynamica, die notoir moeilijk op te lossen zijn, zelfs met supercomputers.


Kosmisch web Satellitegalaxy Supermassief zwart gat 10 miljoen jaar na thebig bang 500 miljoen jaar 6 miljard jaar Aanwezig (13, 8 miljard jaar) 1 2 3 4 Donkere materie halo Gasstroom van gas Protogalaxiën Huidige distributie van donkere en gewone materie Originele distributie van donkere en gewone materie Centrale zwarte gaten Supernova Supernova De levensfasen van een melkweg Sterrenstelsels evolueerden hand in hand met de grootschalige structuur van het universum. Na de oerknal vulden donkere materie (blauw) en gewone materie (goud) de ruimte ongelijk. De donkere materie begon vervolgens samen te vloeien onder zijn eigen zwaartekracht in een steiger van klompen en filamenten die bekend staan ​​als het kosmische web. Computermodellen laten zien hoe gewone materie in de klompen stroomde om de eerste kleine, onregelmatig gevormde sterrenstelsels te vormen, die in de loop van de tijd groeiden in fusies. 4 Middelbare leeftijd Het sterrenstelsel vestigt zich. Naarmate het ouder wordt, zal straling uit het centrale zwarte gat uiteindelijk gas verdrijven, waardoor de stervorming tot stilstand komt. 1 Geboorte De zaden van sterrenstelsels in dichte klompjes donkere materie die halo's worden genoemd, die het waterstofgas opzuigen dat zich in sterren stort. 2 Jeugd Terwijl sterren aangaan, ontstaan ​​de eerste kleine proto-sterrenstelsels, klonterig en augurkvormig. Stromen koud gas, die langs draden van donkere materie stromen, voeden de sterrenstelsels en hun centrale zwarte gaten. 3 Adolescentie De jonge melkweg groeit door gewelddadige fusies, die uitbarstingen van stervorming veroorzaken, zelfs als supernova gas uitblazen en het proces beperken.
C. BICKEL / WETENSCHAP

In het algemeen vallen modelleerders het probleem aan door het in miljarden bits te breken, hetzij door de ruimte te verdelen in een 3D-raster van subvolumes of door de massa donkere en gewone materie in zwermen deeltjes te verdelen. De simulatie volgt vervolgens de interacties tussen die elementen terwijl de kosmische tijd doorloopt in bijvoorbeeld miljoenen jaren. De berekeningen belasten zelfs de krachtigste supercomputers. BlueTides werkt bijvoorbeeld op Blue Waters een supercomputer aan de Universiteit van Illinois in Urbana die 13 miljard berekeningen per seconde kan uitvoeren. Alleen het laden van het model kost 90% van het beschikbare geheugen van de computer, zegt Feng.

Jarenlang produceerden dergelijke simulaties sterrenstelsels die te gasachtig, massief en blobby waren. Maar het computervermogen is toegenomen en, nog belangrijker, modellen van de straling-materie-feedback zijn verbeterd. Nu zijn hydrodynamische simulaties begonnen met het produceren van het juiste aantal sterrenstelsels met de juiste massa's en vormen spiraalvormige schijven, squat ellipticals, sferische dwergen en oddball irregulars s Volker Springel, een kosmoloog aan het Heidelberg Instituut voor theoretische studies in Duitsland die aan Millennium werkte en de Illustris-simulatie leidt. "Tot voor kort had het simulatieveld moeite om spiraalvormige sterrenstelsels te maken", zegt hij. "Het is pas in de laatste 5 jaar dat we hebben aangetoond dat je ze kunt maken."

De modellen laten nu zien dat, net als mensen, sterrenstelsels de neiging hebben om door verschillende levensfasen te gaan, zegt Hopkins. Wanneer jong, roeit een melkweg van activiteit, terwijl de ene fusie na de andere zich uitstrekt en verwringt, waardoor stervormingen van sterren ontstaan. Na een paar miljard jaar heeft de melkweg de neiging zich te vestigen op een relatief rustige en stabiele middelbare leeftijd. Later kan het zelfs in senescentie glijden als het zijn gas verliest en het vermogen sterren maakt een overgang die onze Melkweg nu lijkt te maken, zegt Hopkins. Maar de wilde en gewelddadige wendingen van de adolescentie maken het specifieke pad van elke melkweg moeilijk te voorspellen, zegt hij.

De simulaties zijn verre van perfect. Ze kunnen niet in de buurt komen van het modelleren van individuele sterren, hoewel de simulaties wijzen op het belang van feedbackeffecten op die schaal, zoals de wind en straling van supernovae en van centrale zwarte gaten in sterrenstelsels. In plaats daarvan staat elk roosterelement of -deeltje voor honderden tot miljoenen zonnemassa's van sterren en gas, afhankelijk van de resolutie van de simulatie. Onderzoekers gebruiken vervolgens ad hoc "subgrid" regels om te beschrijven hoe al dat materiaal zich gemiddeld gedraagt. "Het is alsof je door een mistige bril kijkt en deze vorm probeert te beschrijven die je niet perfect kunt zien", zegt Avishai Dekel, een kosmoloog aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem en een leider van de VELA-simulatie.

Het is duidelijk uit alles wat we hebben gedaan dat de fysica van de vorming van sterrenstelsels ongelooflijk rommelig is.

Stephen Wilkins, Universiteit van Sussex

Die ad-hocregels omvatten tientallen parameters die onderzoekers afstemmen om bekende kenmerken van het universum te reproduceren, zoals de vele melkwegstelsels van verschillende massa's. Die afstemming roept de vraag op of de modellen de werkelijkheid verklaren of alleen maar nabootsen, zoals een schilderij. Maar onderzoekers zeggen dat de modellen betrouwbaar moeten zijn, zolang ze voorspellingen vermijden die sterk afhankelijk zijn van de afstemming. "We gaan niet weg van subtiele recepten, er is geen manier", zegt Di Matteo. "Maar dit is geen soort magie. Het is nog steeds natuurkunde."

De modellen hebben al een aantal lang aangenomen veronderstellingen tenietgedaan. Bijvoorbeeld, astrofysici geloofden dat wanneer twee delicate schijfstelsels zoals onze Melkweg botsen en samensmelten, het proces ze zou verpakken in een enkel blobby elliptisch sterrenstelsel. Uit de modellen blijkt echter dat spiraalvormige sterrenstelsels moeilijker zijn dan verwacht, als ze voldoende gas bevatten. "Je hebt schijven die gedeeltelijk overleven en zo snel herstellen", zegt Springel. Die bevinding was een grote verrassing, zegt Hopkins.

De gebruikelijke verklaring voor wat de galactische grootte bepaalt, is ook neergehaald, zegt Sandra Faber, een astronoom bij UC Santa Cruz die met VELA werkt. Astrofysici waren ervan uitgegaan dat de grootte van een sterrenstelsel wordt bepaald door de spin van de halo van de donkere materie die het omhult, waarbij snellere ronddraaiende halo's grotere, meer diffuse sterrenstelsels produceren, zegt ze. Maar simulaties laten een dergelijk verband zien, voegt ze eraan toe. "We zijn nu met verlies", zegt Faber. "Wat maakt een groot sterrenstelsel groot en een klein sterrenstelsel klein?"

De vormen van pasgeboren sterrenstelsels brengen nog een verrassing met zich mee. De meeste sterrenstelsels zijn tegenwoordig bolvormig of afgeplat, zoals afgeplatte bollen. Ellipticals zijn dik, zoals ronde cakes van zeep; schijven zijn veel vlakker. Maar de modellen voorspellen dat opkomende sterrenstelsels al vroeg in het universum talrijk waren - langer dan ze breed waren, zegt Faber. "Het zijn augurken, " zegt ze. "Je probeert een augurk te maken van gas. Het is niet gemakkelijk." NASA's Hubble Space Telescope is begonnen voorbeelden van deze augurkvormige sterrenstelsels te spotten, zegt ze.

De modellen voorspellen andere subtiele fenomenen die waarnemers kunnen proberen te herkennen. Bijvoorbeeld, astrofysici hadden aangenomen dat gas gelijkmatig vanuit alle richtingen in een groeiend sterrenstelsel stroomt. De simulaties laten echter zien dat gas in koude stromen in een melkwegstelsel stroomt dat langs de filamenten van de donkere materie stroomt die zijn halo verbinden met het kosmische web, zegt Dekel. Waarnemers met de Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, een batterij van 66 radiografische schotels in Chili, beginnen de ruimte in te turen voor bewijs van de stromen.

Simulaties groot en klein

Sommige modellen werken op kosmische schaal, terwijl andere individuele, realistisch ogende sterrenstelsels genereren. Ze verdelen ruimte in volume-elementen of modelleren materie als zwermen deeltjes, en volgen vervolgens hun interacties.

NaamSimulatiegrootte (lichtjaar)Aantal volume-elementen / deeltjesMinimale elementmassa (massa van de zon)FocusEerste papieren
Millennium2, 2 miljard10 miljard1 miljardAlleen donkere materie2005
VELA45 miljoen500 miljoen1000Individuele sterrenstelsels2009
BRAND3 miljoen - 10 miljoenEnkele honderd miljoen - 1 miljard200-2000Individuele sterrenstelsels2014
ADELAAR80 miljoen - 325 miljoen100 miljoen - 7 miljard1, 8 miljoenKosmische evolutie2014
BlueTides1, 9 miljard700 miljard2 miljoenEerste sterrenstelsels2015
IllustrisTNG110 miljoen 1 miljard270 miljoen 30 miljard1 miljoen 10 miljoenKosmische evolutie2018

De simulaties zijn ook bedoeld om de basistheorie van CDM te testen. Door echte en gesimuleerde sterrenstelsels te vergelijken, kunnen onderzoekers de veronderstelling testen dat donkere materie alleen via zwaartekracht samenwerkt. Elke discrepantie kan wijzen op nieuwe interacties en helpt deeltjestheoretici te achterhalen wat donkere materie is.

Tot nu toe is er nog geen enkele gezien, maar de nieuwere simulaties hebben niet-overeenstemmende verschillen tussen waarnemingen en eerdere donkere materie opgelost alleen simulaties. Bijvoorbeeld, 20 jaar geleden brachten die simulaties zwermen kleine donkere materie halo's rond de grotere, wat suggereerde dat een melkwegstelsel zoals onze Melkweg omringd zou moeten zijn door honderden dwerg-satellietstelsels. Maar er waren er maar een paar gespot. Dat tekort werd het probleem van de ontbrekende satellieten genoemd.

Maar meng de gewone materie en de voorspellingen veranderen. De zwaartekracht duwen en trekken tussen donkere en gewone materie maakt dingen glad en vermindert het aantal kleine halo's. In degenen die wel tevoorschijn komen, hebben de door supernova's aangewakkerde winden de neiging de relatief zwakke zwaartekracht van de halo te overweldigen en het gas uit te blazen, waardoor de halo van de grondstof verhongert om meer sterren te maken en de ontluikende melkweg uit te snuiven. Koppel dat proces aan het feit dat waarnemers nu 59 dwergstelsels rondom de Melkweg hebben gevonden, en de scheiding tussen waarnemingen en simulaties verdwijnt grotendeels, zegt Springel. "Ik zie het probleem van de ontbrekende satellieten niet meer als een probleem", zegt hij.

Evenzo suggereerden de oudere simulaties dat de concentratie van donkere materie scherp zou moeten piekten in het midden van een halo. Maar de snelheden van sterren in nabijgelegen dwergstelsels geven aan dat in hun kernen donkere materie zich soepel verspreid over een groter volume. De nieuwe simulaties hebben dat detail goed omdat ze vastleggen hoe de zwaartekrachtseffecten van sterren de donkere materie aanwakkeren en verspreiden. "Zelfs als de sterren een kleine fractie van de massa uitmaken, schudden ze echt de halo op", zegt Hopkins.

Misschien is de grootste les tot nu toe niet dat wetenschappers hun overkoepelende theorie van de kosmologie moeten herzien, maar eerder dat problemen op de loer liggen in hun begrip van astrofysica op kleinere schaal. In het bijzonder komt hun theorie van stervorming tekort, zegt Springel. Om realistische sterrenstelsels te produceren, moeten modelleurs drastisch de snelheid verminderen waarmee gaswolken sterren vormen van wat astrofysici verwachten, zegt hij. "Kortom, de moleculaire wolken vormen 100 keer langzamer dan je zou denken", zegt hij.

Hoogstwaarschijnlijk vlaggen van stervorming omdat feedback van supernovae en superzware zwarte gaten gas uit een melkwegstelsel drijven. Helaas zijn die processen veel te klein om in de simulaties op te lossen. Wanneer modelbouwers de energie van een supernova in een groter roosterelement deponeren, gebeurt er niet veel: in plaats van wind te genereren, straalt de energie gewoon weg. Evenzo kunnen onderzoekers de foute manier waarop zwarte gaten zich voeden met gas en röntgenstralen simuleren niet simuleren. Om deze belangrijke stukjes astrofysica vast te leggen, moeten modelleerders vertrouwen op de ad hoc subgrid-voorschriften die ze handmatig afstemmen.

Simulatoren hopen dergelijke grove veronderstellingen te vervangen door modellen die steviger op fysica zijn gebaseerd. Om dat te doen, hopen ze de hulp in te roepen van astrofysici die werken aan veel fijner opgeloste modellen die de geboorte van sterren uit moleculaire wolken slechts een paar lichtjaar breed simuleren en zelfs de evolutie van individuele sterren. Die kleinere modellen zijn zelf nog in uitvoering. Bijvoorbeeld, astrofysici die supernova-explosies modelleren, hebben nog steeds moeite om hun virtuele stellaire tijdbommen af ​​te laten gaan.

Desondanks zegt Eve Ostriker, een astrofysicus aan de Princeton University die interstellair gas modelleert, dat ze graag helpt om melkwegsimulaties op een beter niveau te brengen. "Mijn interesse hierin is om de afstemming te vervangen door een aantal fysica en te zeggen: OK, dit is wat het is, geen afstemming toegestaan, " zegt ze. De hoop is om resultaten van verschillende grootteschalen samen te rijgen op een manier die de behoefte aan fudge-factoren minimaliseert, zeggen onderzoekers. "Wat je wilt is een afbeelding die op een samenhangende manier over het hele scala van schalen aan elkaar hecht", zegt Hopkins.

Uiteindelijk hopen sommige onderzoekers door observaties en simulaties nog steeds een verenigd verhaal te ontwikkelen dat kan verklaren hoe een sterrenstelsel zijn vorm en eigenschappen krijgt. Faber neemt een extreme positie in en voorspelt dat alle sterrenstelsels uiteindelijk worden gesorteerd en verklaard door slechts twee parameters: massa en straal. "Er is een melkwegwet die we nu pas ontdekken die het eenvoudig maakt."

Maar veel melkwegmodelbouwers geloven dat de recepten altijd ingewikkeld en onzeker zullen zijn. Galaxy-vorming kan zijn als het weer, dat precieze voorspellingen voor altijd buiten bereik houdt vanwege zijn chaotische aard, zegt Springel. "Ik maak me een beetje zorgen dat we het grote geheel zullen begrijpen, maar nooit de details, " zegt hij. In dat geval kan het toenemende realisme van melkwegsimulaties alleen dienen om een ​​fundamentele complexiteit in het universum te onderstrepen.