Een team van astrofysici heeft zojuist 8 miljoen unieke universums voortgebracht in een supercomputer en heeft ze laten evolueren van peuters tot oude geezers. Hun doel? Om de rol vast te leggen die een onzichtbare substantie, donkere materie genaamd, in het leven van ons universum sinds de oerknal speelde en wat het betekent voor ons lot.
Nadat ze ontdekten dat ons universum eind jaren zestig grotendeels uit donkere materie bestaat, hebben ze gespeculeerd over de rol ervan in de vorming van sterrenstelsels en hun vermogen om in de loop van de tijd nieuwe sterren te baren.
Volgens de oerknaltheorie, niet lang na de geboorte van het universum, begonnen natuurkundigen die een onzichtbare en ongrijpbare substantie noemden, donkere materie door de zwaartekracht samen te klonteren tot massieve wolken die donkere materie-halo's worden genoemd. Naarmate de halo's groter werden, trokken ze het schaarse waterstofgas aan dat het universum binnendrong om samen te komen en de sterren en sterrenstelsels te vormen die we vandaag zien. In deze theorie fungeert donkere materie als de ruggengraat van sterrenstelsels en bepaalt ze hoe ze zich vormen, samenvloeien en evolueren in de tijd.
Om beter te begrijpen hoe donkere materie deze geschiedenis van het universum heeft gevormd, creëerden Peter Behroozi, een assistent-professor astronomie aan de Universiteit van Arizona, en zijn team zijn eigen universums met behulp van de supercomputer van de school. De 2.000 processors van de computer werkten gedurende een periode van drie weken zonder pauze om meer dan 8 miljoen unieke universums te simuleren. Elk universum volgde afzonderlijk een unieke set regels om onderzoekers te helpen de relatie tussen donkere materie en de evolutie van sterrenstelsels te begrijpen.
'Op de computer kunnen we veel verschillende universums maken en ze vergelijken met de echte, en dat laat ons afleiden welke regels leiden tot degene die we zien', zei Behroozi in een verklaring.
Terwijl eerdere simulaties gericht waren op het modelleren van afzonderlijke sterrenstelsels of het genereren van nep-universums met beperkte parameters, is de UniverseMachine de eerste van zijn omvang. Het programma creëerde voortdurend miljoenen universums, die elk 12 miljoen sterrenstelsels bevatten, en elk mocht zich gedurende bijna de hele geschiedenis van het echte universum ontwikkelen, van 400 miljoen jaar na de oerknal tot heden.
"De grote vraag is: 'Hoe ontstaan sterrenstelsels?'", Zegt onderzoeker Risa Wechsler, hoogleraar natuurkunde en astrofysica aan de Stanford University. "Het coole aan deze studie is dat we alle gegevens die we hebben over de evolutie van sterrenstelsels kunnen gebruiken - het aantal sterrenstelsels, hoeveel sterren ze hebben en hoe ze die sterren vormen - en dat samen te voegen tot een uitgebreid beeld van de laatste 13 miljard jaar van het universum. "
Het maken van een replica van ons universum, of zelfs van een sterrenstelsel, zou een onverklaarbare hoeveelheid rekenkracht vergen. Dus Behroozi en zijn collega's beperkten hun focus tot twee belangrijke eigenschappen van sterrenstelsels: hun gecombineerde massa sterren en de snelheid waarmee ze nieuwe baren.
'Voor het simuleren van een enkel sterrenstelsel zijn tien tot de 48ste computerbewerkingen nodig', legde Behroozi uit, verwijzend naar een octiljoen operatie, of een 1 gevolgd door 48 nullen. 'Alle computers op aarde samen konden dit in honderd jaar niet doen. Dus om slechts één melkwegstelsel te simuleren, laat staan 12 miljoen, moesten we dit anders doen.'
Terwijl het computerprogramma nieuwe universums voortbrengt, raadt het hoe de snelheid van stervorming van een sterrenstelsel verband houdt met zijn leeftijd, zijn eerdere interacties met andere sterrenstelsels en de hoeveelheid donkere materie in zijn halo. Vervolgens vergelijkt het elk universum met echte waarnemingen, waarbij de fysieke parameters bij elke iteratie worden verfijnd om de realiteit beter af te stemmen. Het eindresultaat is een universum dat bijna identiek is aan het onze.
Volgens Wechsler toonden hun resultaten aan dat de snelheid waarmee sterrenstelsels sterren baren, nauw verbonden is met de massa van hun donkere materie-halo's. Melkwegstelsels met halo-massa's van donkere materie die het meest op onze eigen Melkweg lijken, hadden de hoogste stervormingssnelheden. Ze legde uit dat stervorming in meer massieve sterrenstelsels wordt onderdrukt door een overvloed aan zwarte gaten
Hun waarnemingen daagden ook de lang bestaande overtuigingen uit dat donkere materie de stervorming in het vroege heelal belemmerde.
'Als we vroeger en eerder in het universum teruggaan, zouden we verwachten dat de donkere materie dichter wordt en daarom het gas steeds heter wordt. Dit is slecht voor de vorming van sterren, dus we dachten dat veel sterrenstelsels in het begin het universum had lang geleden al moeten stoppen met het vormen van sterren, 'zei Behroozi. "Maar we vonden het tegenovergestelde: sterrenstelsels van een bepaalde grootte vormden, in tegenstelling tot de verwachting, meer kans om sneller sterren te vormen."
Nu is het team van plan de UniverseMachine uit te breiden om meer manieren te testen waarop donkere materie de eigenschappen van sterrenstelsels kan beïnvloeden, inclusief hoe hun vormen evolueren, de massa van hun zwarte gaten en hoe vaak hun sterren supernova worden.
"Voor mij is het meest opwindende dat we nu een model hebben waarmee we al deze vragen kunnen stellen in een raamwerk dat werkt," zei Wechsler. "We hebben een model dat computationeel goedkoop genoeg is, dat we in wezen een heel universum in ongeveer een seconde kunnen berekenen. Dan kunnen we het ons veroorloven dat miljoenen keren te doen en alle parameterruimte te verkennen."
De onderzoeksgroep publiceerde hun resultaten in het septembernummer van het tijdschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
