史上最大のコンピューター・シミュレーションが宇宙の物質の謎を解明

masapoco
投稿日 2023年10月26日 18:25
dark matter

世界で最も強力なスーパーコンピューターのひとつを使い、天文学者は過去最大規模の宇宙論的シミュレーションを行った。「FLAMINGO」と呼ばれるこのプロジェクトは、137億5000万年にわたる宇宙の大規模構造の成長を追跡するものである。シミュレーションを実際の観測結果と比較することで、科学者たちは宇宙の長期的な振る舞いを支配する基本的な性質について学びたいと考えている。

この先駆的な試みは、宇宙における物質分布の謎を解明することを目的とした、史上最大の宇宙論的コンピューター・シミュレーションだ。FLAMINGOプロジェクトは、主にダークマターに焦点を当てた先行プロジェクトとは異なり、物理学の基本法則に支配される通常の物質、暗黒物質、暗黒エネルギーを含む宇宙のすべての構成要素を網羅するように設計されている。

宇宙の進化を覗く窓

これらのシミュレーションが展開されると、銀河や銀河団の出現が明らかになり、宇宙の進化を仮想的に覗く窓が提供される。複雑な宇宙の網は、バリオン物質とも呼ばれる通常の物質と謎めいた暗黒物質の両方から編まれたフィラメントで構成される広大な枠組みである。

オランダのライデン大学教授でFLAMINGOプロジェクトの共著者であるJoop Schaye氏は、このアプローチの重要性を強調した。「ダークマターが重力を支配しているとはいえ、通常の物質の寄与はもはや無視できません」。

FLAMINGOプロジェクトは、正確な予測を行う上でニュートリノと通常の物質が不可欠な役割を果たすという最初の洞察をすでに得ている。しかし、これらの発見は、宇宙論的観測を悩ませている矛盾を完全に払拭するものではない。計算シミュレーションでは、宇宙全体の16%しかない通常の物質の複雑な相互作用が導入された。重力だけでなく、ガス圧の影響とも戦わなければならない。活動的なブラックホールや超新星などの現象によって引き起こされる銀河風の予測不可能な影響は、通常の物質のダイナミクスをさらに複雑にしている。さらに、ニュートリノ(極小だが質量が正確に知られていない素粒子)の役割は、まだシミュレーションされていない極めて重要な側面である。

FLAMINGOプロジェクトのシミュレーション

この野心的なプロジェクトは、ダークマター、通常の物質、ニュートリノにおける構造の形成を注意深く追跡しながら、一連のコンピューターシミュレーションに着手した。これらのシミュレーションにおいて重要な要素である銀河風の較正は、機械学習によって達成された。比較的小さな体積の多様なシミュレーションを、観測された銀河団の質量やガス分布と比較することで、科学者たちはこれらの天体物理学的過程をより正確に表現することに成功した。

public dm density siple
背景画像は、FLAMINGOシミュレーションの中で最も大きな、一辺が2.8Gpc(91億光年)の立方体における現在の物質分布を示している。背景画像の輝度は暗黒物質の現在の分布を示し,色はニュートリノの分布を表している。挿入図は最も質量の大きい銀河団を中心とした3つの連続したズームで,順にガス温度,暗黒物質密度,仮想X線観測を示している(Schaye et al.2023の図1より) (Credit: Josh Borrow, the FLAMINGO team and the Virgo Consortium Licence type Attribution (CC BY 4.0))

FLAMINGOプロジェクトでは、スーパーコンピュータを活用して、さまざまな宇宙の体積と解像度でシミュレーションを実行した。特に、最も大規模なシミュレーションでは、100億光年にわたる立方体の中に、小さな銀河の質量に相当する3,000億個という驚異的な解像度の要素が含まれていた。この成果は、通常の物質を含む最も広範な宇宙論的コンピューター・シミュレーションと考えられている。

ライデン大学のMatthieu Schallerは、この試みの成功に極めて重要な役割を果たした。彼は、「このシミュレーションを可能にするために、我々は新しいコード、SWIFTを開発しました」と説明した。

FLAMINGOシミュレーションは、宇宙の進化に関する前例のない視覚的洞察を提供するだけでなく、理論的予測とユークリッド宇宙望遠鏡やNASAのJWSTのような高度な天文施設が収集した膨大なデータとのギャップを埋める上で重要な役割を果たしている。これらのシミュレーションは、銀河、クエーサー、恒星に関する豊富なデータを解釈するための重要なツールとして機能し、宇宙の謎をより深く理解することを可能にしている。

プロジェクトの意義

FLAMINGOプロジェクトの意義は、”S8テンション “として知られる宇宙論的ジレンマを解決することにある。この謎は、宇宙における物質の分布にまつわるもので、S8というパラメータによって特徴づけられる。このパラメータは、宇宙内のすべての物質の塊状性やクラスター性を定量化するもので、低赤方偏移の観測によって正確に測定することができる。しかし、宇宙マイクロ波背景(CMB)実験から得られたS8の値は、弱い重力レンズサーベイから得られた測定値と異なる。このパラドックスはS8テンションと呼ばれ、宇宙論の標準モデルに対する重大な挑戦となっている。

FLAMINGOプロジェクトで行われているようなコンピュータ・シミュレーションは、S8テンションの起源を明らかにする可能性を秘めている。これらのシミュレーションは、現在の測定における潜在的な誤差を特定するのに役立ち、この緊張が観測の不確かさに根ざしたものなのか、それともCMBそのものに関係するものなのかについての洞察を与えてくれるかもしれない。

興味深いことに、研究チームは、通常の物質の影響が、当初予想されていたよりも大きいのではないかと推測している。銀河風やその他のプロセスが複雑であるにもかかわらず、現在のシミュレーションは、観測された銀河や銀河団の性質とよく一致している。宇宙そのものがそうであるように、この不可解な宇宙のパズルは進化を続けている。天文学者や宇宙学者は、最先端のシミュレーションに頼って、その謎を解き明かし、宇宙についての理解を深めている。


Sources



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