Космологическое моделирование Большого театра - Википедия - Bolshoi Cosmological Simulation

В Большой симулятор, а компьютерная модель из вселенная запустить в 2010 году на Суперкомпьютер Pleiades на Исследовательский центр НАСА Эймса, был самым точным космологическое моделирование к той дате развития крупномасштабная структура Вселенной.[1] В моделировании Большого театра использовалась ставшая стандартом ΛCDM (Лямбда-CDM) модель Вселенной и WMAP пятилетние и семилетние космологические параметры из НАСА с СВЧ-датчик анизотропии Wilkinson команда.[2] «Основная цель моделирования в Большом театре - вычислить и смоделировать эволюцию ореолы темной материи, тем самым делая невидимое видимым для изучения астрономами и предсказания видимой структуры, которую астрономы могут стремиться наблюдать ».[3] «Большой» - это русский слово, означающее «большой».

Первые две из серии научных работ, посвященных Большому театру и его последствиям, были опубликованы в 2011 г. Астрофизический журнал.[4][5] Первый выпуск данных о результатах работы Большого театра стал общедоступным для астрономов и астрофизиков всего мира.[6] Эти данные включают результаты моделирования Большого театра и моделирования Большого Большого театра, или MultiDark, объема, в 64 раза превышающего аналогичный показатель Большого театра.[7]В Моделирование Большого Планкас тем же разрешением, что и Большой, запускалась в 2013 г. на суперкомпьютере Pleiades с использованием Спутник Планка космологические параметры группы, выпущенные в марте 2013 года. В настоящее время симуляция Большого Планка анализируется в рамках подготовки к публикации и распространению результатов в 2014 году.[8][9]

Моделирование Большого театра продолжается по состоянию на 2018 год.

Авторы

Джоэл Р. Примак команда в Калифорнийский университет в Санта-Крус, сотрудничал с группой Анатолия Клыпина на Государственный университет Нью-Мексико, в Лас-Крусес[4][5] запускать и анализировать модели Большого театра. Дальнейший анализ и сравнение с наблюдениями группы Рисы Векслер на Стэнфорд и другие отражены в статьях, основанных на моделировании Большого театра.[10]

Обоснование

Успешное крупномасштабное моделирование эволюции галактики, с результатами, согласующимися с тем, что на самом деле наблюдают астрономы в ночном небе, свидетельствует о том, что теоретические основы используемых моделей, т. е. суперкомпьютерные реализации ΛCDM, являются надежной основой для понимания динамики галактики и истории Вселенной, и открывает возможности для дальнейших исследований. Моделирование Большого театра - не первое крупномасштабное моделирование Вселенной, но это первое, что может соперничать с необычайной точностью современных астрофизических наблюдений.[1]

Предыдущее крупнейшее и наиболее успешное моделирование галактической эволюции было Проект моделирования тысячелетия во главе с Фолькером Спрингелем.[11] Хотя успех этого проекта стимулировал появление более 400 научных 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.[10]

Методы

Моделирование Большого театра следует за эволюционирующим распределением статистического ансамбля из 8,6 миллиардов частиц темная материя, каждая из которых представляет около 200 миллионов солнечные массы, в кубе трехмерного пространства примерно 1 миллиард световых лет на краю. Темная материя и темная энергия доминируют над эволюцией космоса в этой модели. Динамика моделируется с помощью теории ΛCDM и Альберт Эйнштейн с общая теория относительности, с моделью, включающей холодная темная материя (CDM) и Λ космологическая постоянная термин, моделирующий космическое ускорение называется темной энергией.

Первые 100 миллионов лет (Myr ) или около того эволюция вселенной после Большой взрыв можно получить аналитически.[12] Моделирование Большого театра началось в красное смещение z = 80, что соответствует примерно 20 млн. лет после Большого взрыва. Начальные параметры были рассчитаны с помощью 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 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 из наблюдений в сравнении с симуляциями
Два ключевых космологических параметра, σ8 и ΩM, со значениями и неопределенностями 1-σ из наблюдений и значениями, используемыми в трех космологических моделях. 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 представляет собой моделирование тысячелетия I, II и XXL (в которых использовались одни и те же космологические параметры, соответствующие данным первого года выпуска WMAP за 2003 год), а также модели Большого (2011) и Большого-Планкского (2014).

В моделировании Большого театра используется версия адаптивное уточнение сетки Алгоритм (AMR) называется адаптивным деревом 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 изменяющимся распределением частиц».[16]Во время моделирования в Большом театре положение и скорость каждой из 8,6 миллиардов частиц, представляющих темную материю, были записаны на 180 снимках, примерно равномерно распределенных в течение 13,8 миллиардов лет, имитируемых на суперкомпьютере Pleiades.[4] 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. Насколько хорошо эти прогнозы соответствуют наблюдениям, можно судить об успешности моделирования. Были произведены и другие проверки.[5]

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 космическая паутина 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 ».[17]

Поддерживать

Исследование поддержано грантами НАСА и NSF Джоэлу Примаку и Анатолию Клыпину, включая огромные гранты суперкомпьютерного времени на суперкомпьютере NASA Advanced Supercomputing (NAS) Pleiades в Исследовательском центре NASA Ames. Размещение публикаций и аналитических материалов Большого театра на Институт астрофизики им. Лейбница, Потсдам (AIP) частично поддерживается MultiDark грант испанской программы MICINN.[18]

В популярной культуре

Визуализацию симуляции Большого театра рассказали в спецвыпуске National Geographic TV. Внутри Млечного Пути.[7][19]Исландский певец и автор песен Бьорк использовала кадры космологической симуляции Большого театра в исполнении своего музыкального номера «Темная материя». Биофилия концерт.[20]

Рекомендации

  1. ^ а б Примак, Джоэл Р. (1 октября 2012 г.). «Космологический суперкомпьютер. Как симуляция Большого театра заново развивает Вселенную». IEEE Spectrum. IEEE Spectrum. Получено 31 декабря 2013.
  2. ^ Хейс, Брайан. «Коробка вселенной». Американский ученый. Сигма Си, Общество научных исследований. Архивировано из оригинал 10 августа 2014 г.. Получено 11 янв 2014.
  3. ^ Primack, J .; Белл, Т. (июль 2012 г.). «Суперкомпьютерное моделирование превращает космологию из чисто наблюдательной науки в экспериментальную» (PDF). Центр высокопроизводительных астрокомпьютеров Калифорнийского университета. Небо и телескоп. Получено 31 декабря 2013.
  4. ^ а б c Клыпин Анатолий А .; Трухильо-Гомес, Себастьян; Примак, Джоэл (20 октября 2011 г.). "Гало темной материи в стандартной космологической модели: результаты моделирования в Большом театре" (PDF). Астрофизический журнал. 740 (2): 102. arXiv:1002.3660. Bibcode:2011ApJ ... 740..102K. Дои:10.1088 / 0004-637X / 740/2/102. S2CID  16517863. Получено 1 января 2014.
  5. ^ а б c Трухильо-Гомес, Себастьян; Клыпин Анатолий; Примак, Джоэл; Романовски, Аарон Дж. (23 сентября 2011 г.). «Галактики в ΛCDM с согласованием обилия гало: соотношение светимости и скорости, соотношение барионной массы и скорости, функция скорости и кластеризация» (PDF). Астрофизический журнал. 742 (1): 16. arXiv:1005.1289. Bibcode:2011ApJ ... 742 ... 16 т. Дои:10.1088 / 0004-637X / 742/1/16. S2CID  53004003. Получено 1 января 2014.
  6. ^ Кристин Рибе; Адриан М. Партл; Гарри Энке; Хайме Фореро-Ромеро; Стефан Готтлобер; Анатолий Клыпин; Джерард Лемсон; Франсиско Прада; Джоэл Р. Примак; Маттиас Стейнмец; Виктор Турчанинов (август 2013). «База данных MultiDark: выпуск космологических симуляций Большого театра и MultiDark». Astronomische Nachrichten. 334 (7): 691–708. arXiv:1109.0003. Bibcode:2013AN .... 334..691R. Дои:10.1002 / asna.201211900. S2CID  16512696. Получено 1 января 2014.
  7. ^ а б «Введение: моделирование Большого театра в UC-HiPACC». Космологические симуляции Большого театра. Получено 1 января 2014.
  8. ^ Примак, Джоэл. «Вычисление Вселенной». Лос-Аламосская национальная лаборатория. Получено 1 января 2014.
  9. ^ Примак, Джоэл. "Космологическое моделирование Большого Планка. Анатолий Клыпин и Джоэл Примак" (PDF). Центр высокопроизводительных астрокомпьютеров Калифорнийского университета. п. 25. Получено 1 января 2014.
  10. ^ а б Центр высокопроизводительных астрокомпьютеров, Калифорнийский университет. «Публикации». Большой космический симулятор. UC-HiPACC. Получено 3 января 2014.
  11. ^ Бойлан-Колчин, Михаил; Фолькер Спрингель; Саймон Д. М. Уайт; Адриан Дженкинс; Джерард Лемсон (5 июня 2009 г.). «Решение проблемы образования космической структуры с помощью моделирования тысячелетия II». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 398 (3): 1150–1164. arXiv:0903.3041. Bibcode:2009МНРАС.398.1150Б. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2009.15191.x. S2CID  9703617. Получено 11 янв 2014.
  12. ^ Лоеб, Авраам (2010). Как образовались первые звезды и галактики?. Princeton Frontiers в физике. Принстон, штат Нью-Джерси: Princeton University Press. ISBN  9781400834068. Получено 3 января 2014.
  13. ^ Льюис, Энтони; Чаллинор, Энтони. «Код для анизотропии в микроволновом фоне». Энтони Льюис. Получено 3 января 2014.
  14. ^ "Веб-интерфейс CAMB". Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Центр космических полетов Годдарда. Получено 3 января 2014.
  15. ^ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Центр космических полетов Годдарда. "Микроволновой датчик анизотропии Уилкинсона". НАСА. Получено 3 января 2014.
  16. ^ Кравцов, Андрей В .; Клыпин Анатолий А .; Хохлов, Алексей М. (1997). «Адаптивное дерево уточнения - новый код N-тела высокого разрешения для космологического моделирования» (PDF). Серия дополнений к астрофизическому журналу. 111 (1): 73. arXiv:Astro-ph / 9701195. Bibcode:1997ApJS..111 ... 73K. Дои:10.1086/313015. S2CID  14416883.
  17. ^ «Введение в интервью с Джоэлом Примаком». Небо и телескоп. 19 марта 2012 г.. Получено 1 января 2014.
  18. ^ «Какова была поддержка симулятора Большого театра?». Часто задаваемые вопросы. UC-HiPACC. Получено 12 янв 2014.
  19. ^ "Отрывки из фильма" Внутри Млечного Пути ", выпущенного National Geographic TV". Получено 1 января 2014.
  20. ^ Бьорк. "Björk - Dark Matter @ Bestival 2011". YouTube. Получено 3 января 2014.

Ссылки на рисунок

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

внешняя ссылка