Næste trin i at simulere universet

Computersimuleringer har kæmpet for at fange virkningen af ​​undvigende partikler kaldet neutrinoer på dannelsen og væksten af ​​universets storskalastruktur. Men nu, et forskerhold fra Japan har udviklet en metode, der overvinder denne forhindring.

I en undersøgelse offentliggjort i denne måned i Astrofysisk tidsskrift , forskere ledet af University of Tsukuba præsenterer simuleringer, der nøjagtigt afbilder neutrinoers rolle i universets udvikling.

Hvorfor er disse simuleringer vigtige? En nøgleårsag er, at de kan sætte begrænsninger på en i øjeblikket ukendt mængde:neutrinomassen. Hvis denne mængde er sat til en bestemt værdi i simuleringerne, og simuleringsresultaterne afviger fra observationer, denne værdi kan udelukkes. Imidlertid, begrænsningerne kan kun stole på, hvis simuleringerne er nøjagtige, hvilket ikke var garanteret i tidligere arbejde. Holdet bag denne seneste forskning havde til formål at løse denne begrænsning.

"Tidligere simuleringer brugte visse tilnærmelser, som måske ikke er gyldige, " siger hovedforfatter af undersøgelsen Lektor Kohji Yoshikawa. "I vores arbejde, vi undgik disse tilnærmelser ved at bruge en teknik, der nøjagtigt repræsenterer neutrinoernes hastighedsfordelingsfunktion og følger dens tidsudvikling."

At gøre dette, forskerholdet løste direkte et ligningssystem kendt som Vlasov-Poisson-ligningerne, som beskriver hvordan partikler bevæger sig i universet. De udførte derefter simuleringer for forskellige værdier af neutrinomassen og undersøgte systemisk neutrinoers virkninger på universets struktur i stor skala.

Simuleringsresultaterne viser, for eksempel, at neutrinoer undertrykker klyngingen af ​​mørkt stof – den 'manglende' masse i universet – og til gengæld galakser. De viser også, at neutrino-rige områder er stærkt korreleret med massive galaksehobe, og at neutrinoernes effektive temperatur varierer væsentligt afhængigt af neutrinomassen.

"Samlet set, vores resultater tyder på, at neutrinoer i betydelig grad påvirker strukturdannelsen i stor skala, og at vores simuleringer giver en nøjagtig redegørelse for den vigtige effekt af neutrinoer, " forklarer foredragsholder Yoshikawa. "Det er også betryggende, at vores nye resultater stemmer overens med dem fra helt andre simuleringstilgange."

Dette arbejde repræsenterer en milepæl i at simulere universet og baner vejen for yderligere udforskning af, hvordan neutrinoer påvirker dannelsen og væksten af ​​den store struktur. For eksempel, den nye simuleringstilgang kunne bruges til at studere dynamikken i neutrinoer og ukonventionelle typer mørkt stof. Ultimativt, det kan føre til en bestemmelse af neutrinomassen.