Космологическое моделирование Большого театра - Bolshoi Cosmological Simulation

Моделирование Большого , компьютерная модель из вселенной запустить в 2010 году на суперкомпьютере Pleiades в исследовательском центре NASA Ames , был наиболее точным космологического моделирования к этой дате эволюции крупномасштабной структуры Вселенной . Моделирование Большого использовали теперь стандартной ΛCDM модели (Lambda-CDM) Вселенной и WMAP пятилетние и семилетние космологические параметры из НАСА «s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe команды. «Основная цель моделирования в Большом театре - вычислить и смоделировать эволюцию ореолов темной материи , тем самым сделав невидимое видимым для изучения астрономами и предсказать видимую структуру, которую астрономы могут стремиться наблюдать». «Большой» в переводе с русского означает «большой».

Первые две из серии научных статей, описывающих Большой театр и его последствия, были опубликованы в 2011 году в Astrophysical Journal . Первый выпуск данных о результатах работы Большого театра стал общедоступным для астрономов и астрофизиков всего мира. Данные включают результаты моделирования Большого театра и моделирования Большого Большого театра, или MultiDark, объема, в 64 раза превышающего аналогичный показатель Большого театра. Моделирование Большого Планка , с тем же разрешением , как Большой театр, был запущен в 2013 году на суперкомпьютере Pleiades с использованием спутниковой Планка космологических параметров команды выпущен в марте 2013 года моделирования Большого Планка в настоящее время анализируются в рамках подготовки к публикации и распространения его итоги 2014 года.

Моделирование Большого театра продолжается по состоянию на 2018 год.

Авторы

Команда Джоэла Р. Примака из Калифорнийского университета в Санта-Крузе в партнерстве с группой Анатолия Клыпина из Университета штата Нью-Мексико в Лас-Крусесе запускала и анализировала моделирование Большого театра. Дальнейший анализ и сравнение с наблюдениями группы Рисы Векслер в Стэнфорде и других отражены в статьях, основанных на моделировании Большого театра.

Обоснование

Успешное крупномасштабное моделирование эволюции галактик с результатами, согласующимися с тем, что на самом деле наблюдают астрономы в ночном небе, свидетельствует о том, что теоретические основы используемых моделей, т. Е. Реализации суперкомпьютера ΛCDM, являются надежной основой для понимания галактической динамики и истории Вселенной, и открывает возможности для дальнейших исследований. Моделирование Большого театра - не первая крупномасштабная симуляция Вселенной, но она первая, которая может соперничать с необычайной точностью современных астрофизических наблюдений.

Предыдущим крупнейшим и наиболее успешным симулятором галактической эволюции был проект «Моделирование тысячелетия» , возглавляемый Фолькером Спрингелем. Хотя успех этого проекта стимулировал создание более 400 исследовательских работ, моделирование тысячелетия использовало ранние космологические параметры WMAP, которые с тех пор устарели. В результате они привели к некоторым предсказаниям, например, о распределении галактик, которые не очень хорошо согласуются с наблюдениями. Моделирование Большого театра использует новейшие космологические параметры, имеет более высокое разрешение и было проанализировано более подробно.

Методы

Моделирование Большого театра следует за эволюционирующим распределением статистического ансамбля из 8,6 миллиардов частиц темной материи , каждая из которых представляет около 200 миллионов солнечных масс , в кубе 3-мерного пространства примерно в 1 миллиард световых лет на краю. Темная материя и темная энергия доминируют в эволюции космоса в этой модели. Динамика смоделирована с теорией ΛCDM и Альберт Эйнштейн «с общей теорией относительности , с моделью в том числе холодной темной материи (МЧР) и Л космологического постоянной перспективы , имитирующей космическое ускорение называет темную энергией.

Первые 100 миллионов лет ( Myr ) или так эволюции Вселенной после Большого взрыва может быть получена аналитически. Моделирование Большого театра было начато при красном смещении z = 80, что соответствует примерно 20 млн. Лет после Большого взрыва. Начальные параметры были рассчитаны с помощью линейной теории, реализованной с помощью инструментов CAMB, являющихся частью веб-сайта WMAP. Инструменты обеспечивают начальные условия, включая статистическое распределение положений и скоростей частиц в ансамбле, для гораздо более сложного моделирования Большого театра на ближайшие 13,8 миллиардов лет. Таким образом, экспериментальный объем представляет собой случайную область Вселенной, поэтому сравнения с наблюдениями должны быть статистическими.

Ключевые космологические параметры σ8 и ΩM по результатам наблюдений и моделирования
Два ключевых космологических параметра, σ8 и ΩM, со значениями и неопределенностями 1-σ из наблюдений и значениями, используемыми в трех космологических симуляциях. Параметр σ8 представляет собой амплитуду спектра флуктуаций в масштабе скоплений галактик, а параметр ΩM представляет собой долю темной + обычной материи в космической плотности. Наблюдения, представленные фигурами на рисунке, получены в результате исследований скоплений галактик с помощью рентгеновского и гравитационного линзирования. Наблюдения с планками ошибок взяты из данных космического микроволнового фона в сочетании с другими данными пятилетнего (2009 г.), семилетнего (2011 г.) и девятилетнего (2013 г.) публикаций зонда ультразвуковой анизотропии Уилкинсона (WMAP), а также публикаций Planck ( 2013) выпуск данных. Моделирование - это модели Millennium I, II и XXL (все они использовали одни и те же космологические параметры, соответствующие данным первого года выпуска WMAP за 2003 год), а также модели Большого (2011) и Bolshoi-Planck (2014).

В моделировании Большого театра используется версия алгоритма адаптивного уточнения сетки (AMR), называемого деревом адаптивного уточнения (ART), в котором куб в пространстве с плотностью материи выше заданной рекурсивно делится на сетку из более мелких кубов. Подразделение продолжается до предельного уровня, выбранного, чтобы не использовать слишком много времени суперкомпьютера. Соседние кубы не могут изменяться на слишком много уровней, в случае Большого театра - на более чем один уровень подразделения, чтобы избежать больших разрывов. Метод AMR / ART хорошо подходит для моделирования все более неоднородного распределения вещества, которое развивается по мере продвижения моделирования. «После создания сетка вместо того, чтобы разрушаться на каждом временном шаге, быстро корректируется в соответствии с эволюционирующим распределением частиц». Во время моделирования в Большом театре положение и скорость каждой из 8,6 миллиардов частиц, представляющих темную материю, были записаны в 180 снимках, примерно равномерно расположенных за 13,8 миллиардов лет, имитируемых на суперкомпьютере Pleiades. Затем каждый снимок анализировался, чтобы найти все ореолы темной материи и свойства каждого (принадлежность к частицам, местоположение, распределение плотности, вращение, форма и т. Д.). Все эти данные затем использовались для определения всей истории роста и слияния каждого ореола. Эти результаты, в свою очередь, используются для предсказания того, где сформируются галактики и как они будут развиваться. То, насколько хорошо эти прогнозы соответствуют наблюдениям, позволяет судить об успешности моделирования. Были произведены и другие проверки.

Полученные результаты

Считается, что симуляция Большого театра дала лучшее приближение к реальности, полученное до сих пор для такого большого объема космоса, около 1 миллиарда световых лет в поперечнике. «Большой театр создает модельную вселенную, которая поразительно и сверхъестественно похожа на реальную. Начиная с начальных условий, основанных на известном распределении материи вскоре после Большого взрыва, и используя общую теорию относительности Эйнштейна в качестве `` правил '' моделирования, Большой предсказывает современную Вселенную с галактиками, выстраивающимися в сотни миллионов световых лучей. -летние волокна, которые окружают огромные пустоты, образуя космическую пеноподобную структуру, которая точно соответствует космической паутине, как показали глубокие исследования галактик, такие как Sloan Digital Sky Survey . Чтобы добиться такого точного совпадения, Большой театр явно дает космологам довольно точную картину того, как на самом деле развивалась Вселенная ».

Служба поддержки

Это исследование было поддержано грантами NASA и NSF Джоэлу Примаку и Анатолию Клыпину, включая огромные гранты суперкомпьютерного времени на суперкомпьютере NASA Advanced Supercomputing (NAS) Pleiades в исследовательском центре NASA Ames Research Center. Размещение публикаций и анализов Большого театра в Потсдамском астрофизическом институте им. Лейбница (AIP) частично поддерживается грантом MultiDark испанской программы MICINN.

В популярной культуре

Визуализация симуляции Большого театра была рассказана в специальном телеканале National Geographic « Внутри Млечного Пути» . Исландская певица и автор песен Бьорк использовала кадры космологической симуляции Большого театра в исполнении своего музыкального номера «Темная материя» на своем концерте « Биофилия» .

использованная литература

Ссылки на рисунок

  • Манц, А., Аллен, С.В., Эбелинг, Х., и Рапетти, Д. 2008, MNRAS , 387 , 1179
  • Генри, Дж. П., Эврард, А. Э., Хокстра, Х., Бабул, А., и Махдави, А., 2009, ApJ , 691 , 1307
  • Вихлинин А.В., Кравцов А.В., Буренин Р.А. и др. 2009, ApJ , 692 , 1060
  • Розо, Э., Рыкофф, Э.С., Эврард, А. и др. 2009, ApJ , 699 , 768

внешние ссылки