In de afgelopen twintig jaar hebben kosmologen een 'standaardmodel' van de kosmologie ontwikkeld - het 'koude donkere materie'-model - dat een overvloed aan waargenomen astronomische gegevens kan verklaren, van de eigenschappen van de warmte die is overgebleven van de oerknal tot het aantal en de ruimtelijke verdeling van de sterrenstelsels die we vandaag om ons heen waarnemen.
Bij het simuleren van een virtueel koud universum van donkere materie volgen de meeste kosmologen een 'typisch' of willekeurig stuk hemel, vergelijkbaar met ons eigen waargenomen heelal, maar alleen in statistische zin. De simulaties die in deze studie zijn uitgevoerd zijn anders: met behulp van geavanceerde generatieve algoritmen zijn de simulaties afgestemd om ons specifieke stuk heelal te reproduceren, dat dus de huidige structuren in de buurt van ons eigen melkwegstelsel bevat die astronomen al decennialang hebben waargenomen.
Dit betekent dat bekende structuren in het nabije heelal, zoals de clusters Virgo, Coma en Perseus, de Grote Muur en de Lokale Leegte - onze kosmische habitat – precies worden nagebootst in de simulatie. In het centrum van de simulatie bevindt zich misschien wel de belangrijkste structuur, een sterrenstelselspaar dat de virtuele tegenhangers vormt van onze eigen Melkweg en het nabije zware buurstelsel Andromeda.
De simulatie, SIBELIUS-DARK genaamd, maakt deel uit van het ‘Simulations Beyond the Local Universe’-project (SIBELIUS) en is de grootste en meest uitgebreide simulatie in zijn soort tot dusver. De simulatie bestrijkt een gebied tot op een afstand van 600 miljoen lichtjaar van de aarde en bestaat uit meer dan 130 miljard gesimuleerde 'deeltjes'.
De simulatiesoftware, die in Leiden is ontwikkeld, is de technische sleutel tot deze inspanning. Door een grote supercomputer meer dan een maand in te zetten kon het simulatieteam een virtuele tegenhanger van ons eigen heelal tot leven brengen. De unieke geometrie en eigenschappen van deze simulatie, in combinatie met de ruwe omvang ervan, maakten de simulatie een uitdaging die alleen kon worden volbracht dankzij de jarenlange ervaring van de lokale simulatiegroep. Hiermee wordt voortgebouwd op inspanningen uit het verleden, zoals het door Leiden geleide EAGLE-project, dat onlangs de Group Award van de Britse Royal Astronomical Society heeft ontvangen.
In het onderzoek wordt de output van het virtuele heelal nauwgezet vergeleken met een reeks waarnemingen, waarbij de juiste locaties en eigenschappen worden gevonden voor de virtuele tegenhangers van bekende structuren. Een eerste resultaat van deze studie is dat ons nabije heelal wel eens ongebruikelijk zou kunnen zijn: het voorspelt een gemiddeld lager aantal sterrenstelsels als gevolg van een lokale grootschalige ‘onderdichtheid’ van materie. Hoewel de auteurs van mening zijn dat het niveau van deze onderdichtheid geen bedreiging vormt voor het standaardmodel van de kosmologie, kan het wel gevolgen hebben voor de manier waarop astronomen informatie uit surveys van waargenomen sterrenstelsels interpreteren.
Tekst gaat verder onder de video
Coauteur Matthieu Schaller (Sterrewacht Leiden) noemt het project een mijlpaal in de zoektocht naar manieren om het huidige gevestigde model van de evolutie van ons heelal op de proef te stellen. “Deze simulaties tonen aan dat het standaardmodel van koude donkere materie alle sterrenstelsels kan produceren die we in onze omgeving zien. Dit is een zeer belangrijke test voor het model."
De onderzoekers zijn nu van plan om de details te bestuderen van de manier waarop deze bekende structuren zijn gevormd en geëvolueerd. Zo hopen zij het standaardmodel van de kosmologie aan een nog strengere test te onderwerpen. De simulaties zullen door de Leidse astronomen worden gebruikt om belangrijke vragen te beantwoorden over onze plaats in het heelal en de recente evolutie daarvan.
Wetenschappelijke artikel