Большой Космологический Моделирование
Симуляция Большого , компьютерная модель Вселенной, запущенная в 2010 году на суперкомпьютере «Плеяды» в Исследовательском центре Эймса НАСА , была наиболее точной на тот момент космологической симуляцией эволюции крупномасштабной структуры Вселенной . [1] В симуляции Большого использовалась теперь стандартная ΛCDM модель Вселенной WMAP, (Lambda-CDM) и пятилетние и семилетние космологические параметры НАСА полученные командой по исследованию микроволновой анизотропии Уилкинсона . [2] «Основная цель симуляции Большого театра — вычислить и смоделировать эволюцию гало темной материи , тем самым сделав невидимое видимым для изучения астрономами, а также предсказать видимую структуру, которую астрономы смогут наблюдать». [3] «Большой» — русское слово, означающее «большой».
Первые две из серии исследовательских статей, описывающих Большой театр и его значение, были опубликованы в 2011 году в Astrophysical Journal . [4] [5] Первый выпуск данных о результатах Большого театра стал общедоступным для астрономов и астрофизиков мира. [6] Данные включают результаты моделирования Большого театра и моделирования BigBolshoi или MultiDark, объем которого в 64 раза превышает объем Большого театра. [7] Моделирование Большого Планка с тем же разрешением, что и Большой, было запущено в 2013 году на суперкомпьютере «Плеяды» с использованием космологических параметров спутниковой группы «Планк», опубликованных в марте 2013 года. Моделирование Большого Планка в настоящее время анализируется в рамках подготовки к публикации и распространению его результатов. итоги 2014 года. [8] [9]
Моделирование Большого театра продолжает разрабатываться с 2018 года.
Авторы
[ редактировать ]Джоэла Р. Примака Команда из Калифорнийского университета в Санта-Крузе сотрудничала с группой Анатолия Клыпина из Университета штата Нью-Мексико в Лас-Крусес. [4] [5] запускать и анализировать симуляции Большого театра. Дальнейший анализ и сравнение с наблюдениями группы Рисы Векслер из Стэнфордского университета и других отражены в статьях, основанных на моделировании Большого театра. [10]
Обоснование
[ редактировать ]Успешное крупномасштабное моделирование эволюции галактик с результатами, согласующимися с тем, что на самом деле наблюдают астрономы в ночном небе, свидетельствует о том, что теоретическая основа используемых моделей, то есть суперкомпьютерные реализации ΛCDM, являются надежной основой для понимания галактическая динамика и история Вселенной и открывает возможности для дальнейших исследований. Модель Большого театра — не первая крупномасштабная симуляция Вселенной, но она первая, которая может соперничать с необычайной точностью современных астрофизических наблюдений. [1]
Предыдущим крупнейшим и наиболее успешным моделированием галактической эволюции был Проект моделирования тысячелетия , возглавляемый Фолькером Шрингелем. [11] Хотя успех этого проекта стимулировал создание более 400 исследовательских работ, в симуляциях «Миллениума» использовались 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 более детально проанализировано. [10]
Методы
[ редактировать ]Моделирование Большого театра следует за развивающимся распределением статистического ансамбля из 8,6 миллиардов частиц темной материи , каждая из которых представляет около 100 миллионов солнечных масс . [1] в кубе трехмерного пространства с ребром около 1 миллиарда световых лет. темная материя и темная энергия В этой модели в эволюции космоса доминируют . Динамика моделируется с помощью теории ΛCDM и Альберта Эйнштейна , общей теории относительности при этом модель включает холодную темную материю (CDM) и космологический постоянный член Λ, моделирующий космическое ускорение, называемое темной энергией.
Первые 100 миллионов лет ( млн лет ) или около того эволюции Вселенной после Большого взрыва можно определить аналитически. [12] Моделирование Большого было начато при красном смещении z=80, что соответствует примерно 20 млн лет после Большого взрыва. Начальные параметры были рассчитаны с использованием линейной теории, реализованной CAMB. [13] инструменты, [14] часть веб-сайта WMAP. [15] Инструменты обеспечивают начальные условия, включая статистическое распределение положений и скоростей частиц в ансамбле, для гораздо более требовательного моделирования Большого театра на следующие примерно 13,8 миллиардов лет. Таким образом, экспериментальный объем представляет собой случайную область Вселенной, поэтому сравнения с наблюдениями должны быть статистическими.
В симуляции Большого используется версия алгоритма адаптивного уточнения сетки (AMR), называемая деревом адаптивного уточнения (ART), в котором куб в пространстве с плотностью материи, превышающей заданную, рекурсивно разделяется на сетку из более мелких кубов. Подразделение продолжается до предельного уровня, выбранного, чтобы избежать использования слишком большого количества времени суперкомпьютера. Соседним кубам не разрешается различаться на слишком большое количество уровней, в случае Большого театра - более чем на один уровень подразделения, чтобы избежать больших разрывов. Метод AMR/ART хорошо подходит для моделирования все более неоднородного распределения материи, которое меняется по мере проведения моделирования. «После создания сетка не разрушается на каждом временном шаге, а быстро подстраивается под меняющееся распределение частиц». [16] В ходе симуляции Большого театра положение и скорость каждой из 8,6 миллиардов частиц, представляющих темную материю, были записаны в 180 снимках, примерно равномерно распределенных в течение смоделированного 13,8 миллиарда лет на суперкомпьютере Pleiades. [4] Затем каждый снимок был проанализирован, чтобы найти все гало темной материи и свойства каждого из них (членство частиц, местоположение, распределение плотности, вращение, форма и т. д.). Все эти данные затем использовались для определения всей истории роста и слияния каждого гало. Эти результаты, в свою очередь, используются для предсказания того, где будут формироваться галактики и как они будут развиваться. Насколько хорошо эти прогнозы соответствуют наблюдениям, является показателем успеха моделирования. Были проведены и другие проверки. [5]
Результаты
[ редактировать ]Считается, что моделирование Большого театра дало наилучшее приближение к реальности, полученное для такого большого объема пространства, около 1 миллиарда световых лет в поперечнике. «Большой театр создает модель вселенной, поразительно и сверхъестественно похожую 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 театр предсказывает современную Вселенную с галактиками, выстраивающимися в линию в сотни миллионов световых лучей. Нити длиной в год, окружающие огромные пустоты, образуют космическую пеноподобную структуру, которая точно соответствует космической паутине , как показали глубокие исследования галактик, такие как Sloan Digital Sky Survey . Чтобы добиться такого точного соответствия, Большой театр явно дает космологам довольно точную картину того, как на самом деле развивалась Вселенная». [17] Моделирование в Большом театре показало, что приближение Шета – Тормена завышает количество гало в несколько раз. для красных смещений . [4]
Поддерживать
[ редактировать ]Это исследование было поддержано грантами НАСА и Национального научного фонда (США) Джоэлу Примаку и Анатолию Клыпину, включая крупные гранты на суперкомпьютерное время на суперкомпьютере NASA Advanced Supercomputing (NAS) Pleiades в Исследовательском центре Эймса НАСА. Размещение результатов и анализов Большого театра в Институте астрофизики Лейбница в Потсдаме (AIP) частично поддерживается грантом MultiDark испанской программы MICINN. [18]
В популярной культуре
[ редактировать ]Визуализация симуляции Большого театра была рассказана в специальном выпуске телеканала National Geographic « Внутри Млечного Пути» . [7] [19] Исландская певица и автор песен Бьорк использовала кадры из космологического моделирования Большого театра в исполнении своего музыкального номера «Темная материя» на своем концерте «Биофилия » . [20]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Примак, Джоэл Р. (1 октября 2012 г.). «Космологический суперкомпьютер. Как симуляция Большого театра заново эволюционирует Вселенную» . IEEE-спектр . IEEE-спектр . Проверено 31 декабря 2013 г.
- ^ Хейс, Брайан. «Коробка Вселенной» . Американский учёный . Сигма Си, Общество научных исследований. Архивировано из оригинала 10 августа 2014 года . Проверено 11 января 2014 г.
- ^ Примак, Дж.; Белл, Т. (июль 2012 г.). «Суперкомпьютерное моделирование превращает космологию из чисто наблюдательной науки в экспериментальную науку» (PDF) . Центр высокопроизводительных астровычислительных вычислений Калифорнийского университета . Небо и телескоп . Проверено 31 декабря 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Клыпин Анатолий А.; Трухильо-Гомес, Себастьян; Примак, Джоэл (20 октября 2011 г.). «Гало темной материи в стандартной космологической модели: результаты моделирования Большого» (PDF) . Астрофизический журнал . 740 (2): 102. arXiv : 1002.3660 . Бибкод : 2011ApJ...740..102K . дои : 10.1088/0004-637X/740/2/102 . S2CID 16517863 . Проверено 1 января 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Трухильо-Гомес, Себастьян; Клыпин Анатолий; Примак, Джоэл; Романовский, Аарон Дж. (23 сентября 2011 г.). «Галактики в ΛCDM с сопоставлением содержания гало: соотношение светимости и скорости, барионное соотношение массы и скорости, функция скорости и кластеризация» (PDF) . Астрофизический журнал . 742 (1): 16. arXiv : 1005.1289 . Бибкод : 2011ApJ...742...16T . дои : 10.1088/0004-637X/742/1/16 . S2CID 53004003 . Проверено 1 января 2014 г.
- ^ Рибе, Кристин; Партл, Адриан М.; Энке, Гарри; Фореро-Ромеро, Хайме; Готтлёбер, Стефан; Клыпин Анатолий; Лемсон, Джерард; Прада, Франциско; Примак, Джоэл Р.; Штайнмец, Матиас; Турчанинов, Виктор (август 2013 г.). «База данных MultiDark: выпуск космологических симуляций Большого и MultiDark» . Астрономические Нахрихтен . 334 (7): 691–708. arXiv : 1109.0003 . Бибкод : 2013AN....334..691R . дои : 10.1002/asna.201211900 . S2CID 16512696 . Проверено 1 января 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Введение: Моделирование Большого театра в UC-HiPACC» . Большой Космологическое моделирование . Проверено 1 января 2014 г.
- ^ Примак, Джоэл. «Вычисление Вселенной» . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Проверено 1 января 2014 г.
- ^ Примак, Джоэл. «Космологическое моделирование Большого Планка. Анатолий Клыпин и Джоэл Примак» (PDF) . Центр высокопроизводительных астровычислительных вычислений Калифорнийского университета. п. 25 . Проверено 1 января 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б Высокопроизводительный астровычислительный центр Калифорнийского университета. «Публикации» . Большой Космический Моделирование . Калифорнийский университет-HiPACC . Проверено 3 января 2014 г.
- ^ Бойлан-Колчин, Майкл; Фолькер Спрингель; Саймон Д.М. Уайт; Адриан Дженкинс; Джерард Лемсон (5 июня 2009 г.). «Решение формирования космической структуры с помощью моделирования Millennium-II». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 398 (3): 1150–1164. arXiv : 0903.3041 . Бибкод : 2009MNRAS.398.1150B . дои : 10.1111/j.1365-2966.2009.15191.x . S2CID 9703617 .
- ^ Леб, Авраам (2010). Как образовались первые звезды и галактики? . Принстонские границы физики. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета . ISBN 9781400834068 . Проверено 3 января 2014 г.
- ^ Льюис, Энтони; Чаллинор, Энтони. «Кодекс анизотропии микроволнового фона» . Энтони Льюис . Проверено 3 января 2014 г.
- ^ «Веб-интерфейс CAMB» . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Центр космических полетов Годдарда . Проверено 3 января 2014 г.
- ^ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Центр космических полетов Годдарда. «СВЧ-зонд анизотропии Уилкинсона» . НАСА . Проверено 3 января 2014 г.
- ^ Кравцов Андрей Владимирович; Клыпин Анатолий А.; Хохлов, Алексей М. (1997). «Дерево адаптивного уточнения — новый код N-тел высокого разрешения для космологического моделирования» (PDF) . Серия дополнений к астрофизическому журналу . 111 (1): 73. arXiv : astro-ph/9701195 . Бибкод : 1997ApJS..111...73K . дои : 10.1086/313015 . S2CID 14416883 .
- ^ «Введение в интервью с Джоэлом Примаком» . Небо и телескоп. 19 марта 2012 г. Проверено 1 января 2014 г.
- ^ «Какова была поддержка симуляционного комплекса Большого театра?» . Часто задаваемые вопросы . Калифорнийский университет-HiPACC . Проверено 12 января 2014 г.
- ^ «Отрывки из фильма «Внутри Млечного Пути», производства National Geographic TV» . Проверено 1 января 2014 г.
- ^ Бьорк. «Бьорк – Темная материя @ Bestival 2011» . Ютуб . Проверено 3 января 2014 г.
