211service.com
Simulering af det kosmiske web
Ideen om, at stjerner klumper sig sammen i ø-universer, er relativt ny inden for astronomi. Det var først i 1920'erne og 30'erne, at astronomerne indbyrdes blev enige om, at galakser skal adskilles af store afstande.
Men først inden for de sidste 10 år eller deromkring har astronomer opdaget, at galakser selv danner en langt større struktur. De 100 milliarder galakser, som vi kender til, er vævet ind i et tjavset netlignende arrangement bestående af tætte kompakte klynger, aflange filamenter og arklignende vægge, midt i store næsten tomme hulrum.
Denne struktur er blevet kendt som det kosmiske web, og en af de store udfordringer i moderne kosmologi er at modellere og simulere den nøjagtigt.
Det viser sig at være tricky.
Et af de vigtige træk ved det kosmiske web er, at dets strukturer spænder over mange størrelsesordener. Og da de største strukturer, såsom de væglignende træk, er dannet af de mindre, såsom filamenter og klynger, er det afgørende, at enhver model kan håndtere forholdet mellem dem i alle disse skalaer.
Det er lettere sagt end gjort. En måde at forestille sig problemet er at tænke på at zoome ud fra en bestemt klynge af galakser for at vise de større strukturer, snarere på samme måde som den berømte Powers of Ten-film lavet i 1970'erne.
Da de små skalastrukturer bliver for små til at løse, anvender de fleste computermodeller en form for statistisk udjævningsproces for at gøre beregningerne i stor skala nemmere.
Men hvis du zoomer ind igen, er der ingen måde at hente den information, der går tabt ved udjævningsprocessen, andet end at genopbygge billedet igen fra de originale data.
Det er okay, hvis alt, hvad du ønsker, er en 3-D-model af universet. Men det er et problem, hvis du vil simulere, hvordan de store strukturer dannes fra mindre strukturer, og hvordan formen på de store strukturer til gengæld påvirker den måde, mindre strukturer udvikler sig på.
Denne form for feedbackproces er umulig at modellere, når udjævningsprocessen mellem forskellige skalaer i det væsentlige ødelægger alle meningsfulde forbindelser mellem dem.
Indtast Rien van de Weygaert og Willem Schaap på University of Groningen i Holland. Disse fyre har udviklet en måde at modellere strukturer over mange skalaer uden den unaturlige udjævning, som andre tilgange bruger.
Deres trick er at tænke på galakser som punkter i 3D-rummet og at fylde rummet mellem dem med tetraedre. Disse tetraedre skal være konstrueret på en sådan måde, at hvis en kugle blev oppustet inde i hver kugle, indtil den rørte siderne, ville der ikke være nogen galakser inde i hver kugle.
Dette er kendt som en Delauney tessellation. Det specielle ved Delauney tessellationer er, at efterhånden som skalaen bliver større, er der regler for at kombinere tetraedrene til større. Disse regler er specielle, fordi de er reversible, hvilket betyder, at de vigtige funktioner i den oprindelige struktur kan rekonstrueres, når du zoomer ind igen.
Det gør det meget lettere at simulere feedback mellem strukturer på forskellige skalaer.
Så det er ingen overraskelse, at astronomer er begejstrede for potentialet i den såkaldte Delaunay Tessellation Field Estimator (DTFE). Hvis du vil vide mere, giver de Weygaert og et par kammerater en omfattende oversigt over ideen på arXiv i dag.
Det burde betyde, at vi får en meget bedre model af universets struktur i stor skala.
Det skulle også betyde, at vi kan opdatere Powers of Ten-filmen, som forståeligt nok i betragtning af dens alder ikke viser nogen detaljer i universet ud over vores lokale galaksehob.
Ref: arxiv.org/abs/0912.3448 : Geometri og morfologi af det kosmiske web: Analyse af rumlige mønstre i universet