4000个!为何要创造这么多虚拟宇宙?就是为了解决大爆炸之谜

2021-05-06 09:54:08 天文在线

简介:宇宙学家创造了4,000个虚拟宇宙来解决大爆炸之谜。他们使用NAOJ的ATERUI II超级计算机创建了4,000个版本的宇宙,所有版本的初始密度波动都略有不同。研究人员让这些虚拟宇宙经历了自己的虚拟膨胀,然后对它们应用重构方法,以查看是否可以使它们回到原始起点。

一个超级计算机按下创造宇宙的的快退键

宇宙膨胀(从左到右)的演化图。宇宙重构理论使该图从右向左回退到最初的形态,从而从当前星系分布中推断再现出原始宇宙的密度情况。

宇宙学家在大型超级计算机上模拟了4,000个版本的宇宙,并在“大爆炸”之后的第一个瞬间按下后退键。

这样做的目的是描绘大爆炸的直接结果,可观测的宇宙突然在如此小的一微秒内膨胀了1万亿亿倍。通过将模拟的方法应用于对当今宇宙的实际观测结果,研究人员希望能够准确理解这一急速膨胀时期的情况。

日本国家天文台(NAOJ)的宇宙学家Masato Shirasaki Masato在写给Live Science的电子邮件中写道:“我们试图做的事情是从今天的最新照片中猜测出我们宇宙婴儿时期的样子。”

灿烂斑驳的宇宙

当今宇宙的密度是不均匀,一些斑块富含银河系,而另一些则相对荒凉。 Shirasaki说,对于这种可见物质分布不均的一个可能的假设是,在大爆炸之时,微小的原始宇宙中已经存在量子涨落或能量的随机、即时变化。

当宇宙膨胀时,这些不确定波动也将扩大,更密集的点延伸成为上文中描述的密度大于周围环境的区域。引力会与这些拉长伸出的“细丝”相互作用,从而导致星系沿着它们聚集。

但是引力相互作用是复杂的,因此试图倒退这个膨胀时期以了解宇宙在它出现之前的样子是非常具有挑战性的。宇宙学家本质上需要从数学模型中消除引力波动的影响。

好的开始是成功的一半

研究人员开发了一种重构筑方法来做到这一点。但是,要确定这个方法是否准确,他们需要其他某种方法对其进行测试。因此,他们使用NAOJ的ATERUI II超级计算机创建了4,000个版本的宇宙,所有版本的初始密度波动都略有不同。研究人员让这些虚拟宇宙经历了他们自己的虚拟膨胀,然后对它们应用重构方法,来看看这是否可以使它们回到原始起点。

该结果发表在《物理评论D》(Physical Review D)上而且前景令人满意。 Shirasaki说:“我们发现一种重建方法可以减少引力对观测到的星系分布的影响,从而使我们能够以有效的方式提取宇宙初始情况的信息。” 他补充说,这种重建以前曾被用于现实世界的银河系,但这项新的研究表明,它也可以用在在宇宙的膨胀期。 Shirasaki说,下一步是将重建应用于宇宙网络的真实观测。作为斯隆数字天空研究的一部分,这些观测已经用位于新墨西哥州的望远镜开始了。

相关知识

宇宙(英语:Universe)是所有时间、空间与其包含的内容物所构成的统一体;它包含了行星、恒星、星系、星系际空间、次原子粒子以及所有的物质与能量,指空间,指时间。目前人类可观测到的宇宙,其距离大约为93 × 10光年(28.5 × 10秒差距),最大为27,160百万秒差距;而整个宇宙的大小可能为无限大,但未有定论。物理理论的发展与对宇宙的观察,引领着人类进行宇宙构成与演化的推论。

根据历史记载,人类曾经提出宇宙学、天体演化学与科学模型,解释人们对于宇宙的观察。最早的理论为地心说,由古希腊哲学家与印度哲学家所提出。数世纪以来,逐渐精确的天文观察,引领尼古拉斯·哥白尼提出以太阳系为主的日心说,以及经约翰内斯·开普勒改良的椭圆轨道模型;最终艾萨克·牛顿的重力定律解释了前述的理论。后来观察方法逐渐改良,引领人类意识到太阳系位于数十亿恒星所形成的星系,称为银河系;随后更发现,银河系只是众多星系之一。在最大尺度范围上,人们假定星系的分布平均,且各星系在各个方向之间的距离皆相同,这代表着宇宙既没有边缘,也没有所谓的中心。透过星系分布与谱线的观察,产生了许多现代物理宇宙学的理论。20世纪前期,人们发现到星系具有系统性的红移现象,表明宇宙正在膨胀;借由宇宙微波背景辐射的观察,表明宇宙具有起源。最后,1990年代后期的观察,发现宇宙的膨胀速率正在加快,显示有可能存在一股未知的巨大能量促使宇宙加速膨胀,称作暗能量。而宇宙的大多数质量则以一种未知的形式存在着,称作暗物质。

by: Stephanie Pappas

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