De grootste simulatie van het heelal is gemaakt: het zal de evolutie van de kosmos helpen begrijpen
De vraag der vragen is voor de mens altijd dezelfde geweest: hoe is onze wereld ontstaan? Hoe is materie en alles in het universum ontstaan? Een nieuw project kan astronomen helpen dichter bij het antwoord te komen.
Wat is de materie van het universum?
Oxford Academic
Materie in het universum is een fundamenteel onderdeel van de structuur ervan. Het komt in verschillende vormen voor, van subatomaire deeltjes tot sterren en sterrenstelsels, waardoor een enorme diversiteit aan structuren en verschijnselen ontstaat. Chemische elementen, samengesteld uit atomen, vormen de basis van materie. Door processen zoals kernfusie in sterren combineren lichtere elementen zwaardere elementen. Mensen hebben altijd geprobeerd te ontdekken hoe het universum is ontstaan: buiten onze planeet bevindt zich een grenzeloze ruimte die op de een of andere manier een oorsprong moet hebben gehad. Er wordt gezegd dat zelfs als we ons de uitgestrektheid van het universum zouden proberen voor te stellen, het onmogelijk voor ons zou zijn om erin te slagen. Het is te immens groot om door één persoon te kunnen worden gevisualiseerd.
Materie verzamelt zich in grote zwaartekrachtclusters en vormt vervolgens sterrenstelsels die planeten, sterren en andere hemellichamen omvatten. Het heeft ook een wisselwerking met het zwaartekrachtveld en is betrokken bij kosmologische verschijnselen zoals de uitdijing van het heelal, dat volgens waarnemingen voortdurend uitdijt, waarbij verre sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen. Donkere materie daarentegen is nog niet volledig begrepen, maar draagt aanzienlijk bij aan de totale massa van het universum, zelfs als het geen licht uitzendt, absorbeert of reflecteert. In de praktijk is de materie in het universum daarom extreem divers, van subatomaire deeltjes tot immense galactische structuren, en de dynamiek ervan is essentieel voor het begrijpen van de evolutie en structuur van het universum zelf.
Hoewel we een ongelooflijk aantal sterrenstelsels en sterren kunnen bewonderen, weten we nog steeds niet het antwoord op een vraag van enorm belang: hoeveel materie is er in het universum?
Het FLAMINGO-project, de grootste simulatie in het universum
Oxford Academic
Deskundigen zijn het niet met elkaar eens als ze proberen het antwoord te kwantificeren. Observatie van de kosmos roept twijfels op over hoe materie feitelijk in het universum is verdeeld en hoe. Een nieuwe simulatie zou echter nuttig kunnen zijn om een nauwkeurigere evaluatie te geven: te beginnen met het traceren van alle elementen waaruit het universum is samengesteld, inclusief gewone materie, donkere materie en donkere energie, en observeren hoe deze evolueren volgens de wetten van de natuurkunde. In de reproductiebeelden kun je de sterrenstelsels digitaal observeren, aangedreven door wat wordt gedefinieerd als het kosmische netwerk, dat wil zeggen de grootste structuur in het hele universum, bestaande uit filamenten die zijn samengesteld uit normale materie en donkere materie.
Het FLAMINGO-project (Full-hydro Large-scale Structure Simulations with All-sky Mapping for the Interpretation of Next Generation Observations) van het VIRGO-consortium, geïmplementeerd via een supercomputer in de Durhan University, Verenigd Koninkrijk, is de grootste kosmologische simulatie ooit uitgevoerd. In de weergave worden 300 miljard deeltjes waargenomen, verdeeld in een kubisch volume van 9,1 miljard lichtjaar. Matthieu Schaller van de Universiteit van Leiden legt uit: “Om deze simulatie mogelijk te maken, hebben we een nieuwe code ontwikkeld, SWIFT, die het rekenwerk efficiënt verdeelt over 30.000 CPU’s.” In de achtergrondafbeelding observeren we de huidige verdeling van donkere materie, met drie zoomlenzen op de meest imposante cluster van sterrenstelsels, die de temperatuur van het gas, de dichtheid van de materie en een röntgenmonitoring detecteren.
De grootste simulatie van het heelal omvat normale materie
Freepik
Om een volledige simulatie van het heelal te hebben, is het daarom noodzakelijk om niet alleen de baryonische materie, dus planeten, sterrenstelsels en sterren, erin mee te nemen, maar ook de donkere materie, die alleen kan worden gedetecteerd door zijn zwaartekrachtsinvloed op de baryonische materie, en de donkere energie. Zodra dit is gebeurd, moet er ook rekening worden gehouden met de interactie tussen de delen via de zwaartekracht, de reactie van donkere materie op de herpositionering van baryonen, de reactie van gewone materie op gasdruk en andere processen. Door al deze informatie te noteren en in de simulatie in te voegen, stelt FLAMINGO vervolgens een reproductie op schaal van het universum voor en vergelijkt de verschillende voorspellingen en theorieën met het virtuele model ervan. Wanneer de ingevoerde kosmologische parameters niet samenvallen met de veronderstelde waarnemingen, worden zogenaamde “spanningen” gegenereerd: een daarvan heet sigma 8 en heeft betrekking op de eigenschappen van de kosmische achtergrond, oftewel het licht dat nog steeds zichtbaar is vanaf het begin van het universum, de oerknal. De metingen leverden verschillende waarden op, die astronomen nog moeten begrijpen en oplossen.
Joop Schaye, hoogleraar aan de Universiteit Leiden en co-auteur van het FLAMINGO-project, gepresenteerd in drie verschillende onderzoeken, zei: "Hoewel donkere materie de zwaartekracht domineert, kan de bijdrage van gewone materie niet langer worden verwaarloosd." Simulaties zijn uiteindelijk een uitzonderlijk hulpmiddel om wetenschappers in staat te stellen hun modellen te herzien en aan te passen aan de werkelijke verdeling van het universum, waardoor “spanningen” worden opgelost en steeds nauwkeurigere en gedetailleerdere informatie wordt verkregen over hoe alles is ontstaan.
