Астрофизическая теория утверждает, что свойства всей Вселенной заданы всего несколькими параметрами, или космологическими переменными. Их можно измерить с высокой точности различными методами. Один из них основан на характеристиках реликтового излучения, слабого фонового свечения, оставшегося от ранней Вселенной. Однако эти значения не совпадают со значениями, полученными при помощи так называемых гравитационных линз. Это несоответствие может указывать на несостыковки в космологической модели холодной темной материи.

Компьютерное моделирование может раскрыть причину этих несостыковок, поскольку информирует ученых о возможных систематических ошибках в измерениях. Если ни одна из моделей не сможет объяснить несоответствия, теорию придется пересмотреть.

Пока компьютерные модели, которые применялись для наблюдений, могли отслеживать только холодную темную материю. Однако несмотря на то, что темная материя управляет гравитацией, вклад обычной материи тоже нельзя игнорировать, поскольку здесь может скрываться объяснение расхождений между прогнозами и наблюдениями.

Международная команда астрономов смоделировала на компьютере один из сценариев развития Вселенной, включая все ее компоненты — обычную материю, темную материю и темную энергию — в результате чего перед глазами ученых возникли виртуальные галактики и скопления галактик, пишет Phys.org.

Первые результаты показывают, что и нейтрино, и обычная материя необходимы для точных предсказаний, но не исключают напряжения между различными космологическими наблюдениями. Модели, которые также оценивают обычную (или барионную) материю, намного сложнее и требуют гораздо больше вычислительных мощностей. Причина в том, что приходится учитывать не только воздействие силы тяжести, но и давление газа. Сила этих межгалактических ветров зависит от взрывов в межзвездном пространстве, которое крайне сложно предсказать. Наконец, есть и нейтрино, субатомная частица, масса которой до конца не известна.

Тем не менее, ученым удалось провести ряд моделирований и проследить формирование структур темной и барионной материи, а также нейтрино. Действие галактических ветров помог рассчитать метод машинного обучения путем сравнения прогнозов множества различных моделей с наблюдаемыми массами галактик и распределением газа в галактических скоплениях.

Самая крупная модель имела 300 млрд частиц с массой небольшой галактики в кубическом объеме с гранями длиной 10 млрд световых лет. Это самая большая космологическая компьютерная модель, созданная человеком. Для ее разработки ученым пришлось написать новый код SWIFT, который эффективно распределяет вычислительные задачи между 30 тысячами процессоров.

Ученые работали с FLAMINGO — программой компьютерного моделирования, которая открывает новый виртуальный способ космологического исследования Вселенной, разработки и проверки новых гипотез, а также тестирования новых методов анализа, в том числе, машинного обучения.

Квантовая запутанность — физический процесс, в ходе которого частицы образуют связь и сохраняют ее даже будучи разделенными огромными расстояниями. Этот завораживающий феномен становился объектом многочисленных исследований и в прошлом, но сейчас физики из США решили обратить внимание на возможную связь между запутанными частицами и червоточинами, гипотетическими тоннелями в ткани пространства-времени. Они создали модель, которую можно использовать для изучения так называемого парадокса файервола черной дыры.