Simulasi kosmik yang sangat besar terjadi, menciptakan lebih banyak alam semesta

Ada lelucon lama di kalangan mahasiswa astronomi tentang pertanyaan ujian akhir kelas kosmologi. Sepertinya ini: “Jelaskan alam semesta dan berikan tiga contoh.” Nah, tim peneliti di Jerman, Amerika Serikat, dan Inggris Raya telah melakukan lompatan besar untuk memberikan setidaknya satu contoh akurat tentang seperti apa alam semesta.

Untuk melakukan ini, mereka menggunakan satu set simulasi yang disebut “MilleniumTNG”. Ini melacak akumulasi galaksi dan struktur kosmik melalui waktu. Ini juga memberikan pandangan baru tentang model kosmologis standar alam semesta. Ini adalah simulasi kosmologi terbaru, dan bergabung dengan upaya ambisius seperti proyek AbacusSummit dua tahun lalu.

Proyek simulasi ini memperhitungkan sebanyak mungkin aspek evolusi kosmik. Ini menggunakan simulasi materi biasa (barionik) (yang kita lihat di alam semesta). Ini juga termasuk materi gelap, neutrino, dan energi gelap yang mekanisme pembentukan alam semesta masih belum jelas. Ini permintaan yang panjang.

Simulasi alam semesta

Lebih dari 120.000 pusat komputer di SuperMUC-NG di Jerman mengerjakan data untuk MillenniumTNG. Ini diikuti oleh pembentukan sekitar seratus juta galaksi di wilayah ruang angkasa dengan diameter sekitar 2.400 juta tahun cahaya. Kemudian Cosma8 di Durham mulai bekerja menghitung alam semesta yang lebih besar dari ukurannya tetapi diisi dengan satu triliun partikel materi gelap yang disimulasikan dan 10 miliar lainnya melacak aksi neutrino masif.

Hasil dari jumlah crunch ini adalah wilayah simulasi alam semesta yang mencerminkan komposisi dan distribusi galaksi. Ukurannya cukup besar sehingga kosmolog dapat menggunakannya untuk mengekstrapolasi asumsi tentang seluruh alam semesta dan sejarahnya. Mereka juga dapat menggunakannya untuk mencari “celah” dalam model standar kosmologi alam semesta.

Model dan prediksi kosmologis

Kosmolog memiliki model dasar yang mereka usulkan untuk menjelaskan evolusi alam semesta. Bunyinya seperti ini: alam semesta memiliki berbagai jenis materi. Ada materi baryonic biasa, yang terbuat dari kita semua, bintang, planet, dan galaksi. Itu hanya di bawah 5% dari “barang” alam semesta. Sisanya adalah materi gelap dan energi gelap.

Komunitas kosmologis menyebut rangkaian kondisi kosmik yang aneh ini sebagai model “materi gelap Lambda dingin” (LCDM, singkatnya). Ini sebenarnya menggambarkan alam semesta dengan sangat baik. Namun, ada beberapa inkonsistensi. Inilah yang harus dibantu oleh simulasi. Model ini mengambil data dari berbagai macam sumber, termasuk radiasi gelombang mikro kosmik ke “jaring kosmik”, tempat galaksi tersusun di sepanjang jaring filamen materi gelap yang rumit.

Yang masih kurang adalah pemahaman yang baik tentang apa sebenarnya materi gelap itu. Dan untuk energi gelap, ini adalah sebuah tantangan. Dan ahli astrofisika dan kosmolog ingin lebih memahami LCDM dan keberadaan dua hal besar yang tidak diketahui. Itu membutuhkan banyak pengamatan baru yang sensitif dari para astronom. Di sisi lain, mereka juga membutuhkan prediksi yang lebih rinci tentang apa yang sebenarnya disarankan oleh model LCDM. Ini adalah tantangan besar dan itulah yang mendorong simulasi besar MillenniumTNG. Jika ahli kosmologi berhasil mensimulasikan alam semesta, mereka dapat menggunakan simulasi tersebut untuk membantu memahami apa yang terjadi “dalam kehidupan nyata”. Ini termasuk sifat-sifat galaksi di alam semesta modern dan paling awal.

Memahami dan memprediksi tren galaksi di alam semesta menggunakan MillenniumTNG

Simulasi MillenniumTNG mengikuti proyek simulasi sebelumnya yang disebut “Millenium” dan “IllustrisTNG”. Kelompok yang lebih baru ini menyediakan alat untuk menunjukkan beberapa celah dalam pemahaman mereka tentang hal-hal seperti evolusi dan bentuk (atau morfologi) galaksi.

Para astronom telah lama mengetahui tentang sesuatu yang disebut “kesejajaran galaksi intrinsik”. Ini pada dasarnya adalah kecenderungan galaksi untuk mengarahkan bentuknya ke arah yang sama, karena alasan yang tidak sepenuhnya dipahami oleh siapa pun.

Ternyata pelensaan gravitasi yang lemah memengaruhi cara kita melihat keselarasan galaksi. Simulasi MillenniumTNG memungkinkan para astronom mengukur keberpihakan seperti itu di “dunia nyata” menggunakan keberpihakan yang disimulasikan. Ini adalah langkah maju yang besar, menurut anggota tim Ana Maria Delgado. “Mungkin penentuan kami tentang penyelarasan intrinsik arah galaksi dapat membantu menyelesaikan perbedaan saat ini antara amplitudo materi gugus yang disimpulkan dari pelensaan lemah dan latar belakang gelombang mikro kosmik,” katanya.

terdengar lewat

Seperti bidang kosmologi lainnya, kelompok MillenniumTNG meneliti alam semesta yang sangat muda melalui simulasi. Ini adalah masa setelah era reionisasi ketika bintang-bintang pertama sudah bersinar terang dan galaksi-galaksi pertama berevolusi. Beberapa galaksi awal itu sangat besar, yang tampaknya keluar dari konteks alam semesta muda. Mereka telah dilihat oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) dan pertanyaannya tetap: Bagaimana mereka menjadi begitu masif dalam waktu singkat setelah Big Bang?

Simulasi MillenniumTNG tampaknya mereplikasi kecenderungan beberapa galaksi awal untuk tumbuh secara eksponensial dalam waktu singkat. Biasanya, ini terjadi sekitar 500 juta tahun setelah Big Bang. Jadi, mengapa galaksi-galaksi ini begitu masif? Astronom Rahul Kannan menawarkan beberapa ide untuk menjelaskan hal ini. “Mungkin pembentukan bintang lebih efisien tak lama setelah Big Bang dibandingkan dengan masa-masa selanjutnya, atau bintang masif mungkin terbentuk dengan kecepatan lebih tinggi pada waktu itu, membuat galaksi ini luar biasa terang,” jelasnya.

Sekarang JWST sedang melihat masa-masa sebelumnya dalam sejarah kosmik, akan menarik untuk melihat apakah simulasi memprediksi apa yang ditemukannya. Keenan menyarankan bahwa mungkin ada keretakan antara alam semesta nyata dan simulasi. Jika itu terjadi, itu akan menimbulkan pertanyaan lain yang membingungkan bagi para kosmolog tentang era awal sejarah kosmik.

Masa depan eksplorasi alam semesta simulasi dan nyata

Beberapa dekade mendatang studi kosmologis akan sangat diuntungkan dari simulasi seperti Millennium TNG. Namun, simulasi hanya sebaik data yang mereka terima dan asumsi yang dibuat oleh tim sains mereka. MillenniumTNG mendapat manfaat dari basis data informasi yang luas, serta kemampuan superkomputer untuk memproses datanya. Menurut penyelidik utama tim, Profesor Volker Sprengel dari Institut Max Planck, simulasi yang menghasilkan lebih dari 3 petabyte data merupakan aset utama kosmologi.

“MilleniumTNG menggabungkan kemajuan terbaru dalam simulasi pembentukan galaksi dengan bidang struktur kosmik skala besar, memungkinkan pemodelan teoretis yang lebih baik dari hubungan galaksi ke tulang punggung materi gelap alam semesta,” katanya. “Ini bisa sangat berguna untuk memajukan pertanyaan kunci dalam kosmologi, seperti bagaimana massa neutrino dapat dibatasi dengan lebih baik oleh data struktur berskala besar.”

Prediksinya tentu sejalan dengan tujuan Proyek MillenniumTNG. Tim terus membangun kesuksesan proyek IllustrisTNG, yang menjalankan simulasi hidrodinamik selain simulasi Milenium khusus materi gelap yang dibuat hampir satu dekade lalu. Simulasi tim telah digunakan untuk mempelajari sejumlah subjek galaksi yang berbeda. Mereka termasuk agregasi materi dan lingkaran cahaya galaksi, gugus galaksi dan distribusinya, model pembentukan galaksi, gugus galaksi di alam semesta awal, penyelarasan intrinsik galaksi, dan topik terkait lainnya. Meskipun mereka mungkin tidak dapat sepenuhnya mendefinisikan alam semesta (dan memberikan tiga contoh), tim MillenniumTNG membuat langkah besar dalam memahami asal-usul dan evolusinya.

untuk informasi lebih lanjut

Mencari celah dalam model kosmologis standar
Halaman web Proyek MillenniumTNG