211service.com
Het kosmische web simuleren
Het idee dat sterren samenklonteren in eilanduniversums is relatief nieuw in de astronomie. Pas in de jaren twintig en dertig kwamen astronomen het er onderling over eens dat sterrenstelsels over grote afstanden van elkaar gescheiden moesten zijn.
Maar pas in de afgelopen tien jaar hebben astronomen ontdekt dat sterrenstelsels zelf een veel grotere structuur vormen. De 100 miljard sterrenstelsels die we kennen, zijn verweven tot een piekerige webachtige opstelling die bestaat uit dichte compacte clusters, langwerpige filamenten en bladachtige wanden, te midden van grote, bijna lege lege gebieden.
Deze structuur is bekend geworden als het Kosmische Web en een van de grote uitdagingen in de moderne kosmologie is om het nauwkeurig te modelleren en te simuleren.
Dat blijkt lastig te zijn.
Een van de belangrijke kenmerken van het kosmische web is dat zijn structuren zich over vele ordes van grootte uitstrekken. En aangezien de grootste structuren, zoals de muurachtige kenmerken, worden gevormd uit de kleinere, zoals filamenten en clusters, is het van cruciaal belang dat elk model de relatie tussen hen op al deze schalen aankan.
Dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Een manier om je het probleem voor te stellen, is door na te denken over uitzoomen op een bepaalde cluster van sterrenstelsels om de grotere structuren te laten zien, een beetje zoals in de beroemde Powers of Ten-film uit de jaren zeventig.
Omdat de kleinschalige structuren te klein worden om op te lossen, passen de meeste computermodellen een soort statistisch afvlakkingsproces toe om de grootschalige berekeningen gemakkelijker te maken.
Maar als u weer inzoomt, is er geen andere manier om de informatie terug te halen die verloren is gegaan door het afvlakkingsproces, behalve om de afbeelding opnieuw op te bouwen met de originele gegevens.
Dat is oké als je alleen maar een 3D-model van het universum wilt. Maar het is een probleem als je wilt simuleren hoe de grootschalige structuren ontstaan uit kleinere structuren en hoe, op hun beurt, de vorm van de grote structuren de manier beïnvloedt waarop kleinere structuren evolueren.
Dit soort feedbackproces is onmogelijk te modelleren wanneer het afvlakkingsproces tussen verschillende schalen in wezen alle betekenisvolle verbanden tussen hen vernietigt.
Enter Rien van de Weygaert en Willem Schaap aan de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland. Deze jongens hebben een manier ontwikkeld om structuren over vele schalen te modelleren zonder de onnatuurlijke afvlakking die andere benaderingen gebruiken.
Hun truc is om sterrenstelsels te zien als punten in de 3D-ruimte en de ruimte ertussen te vullen met tetraëders. Deze tetraëders moeten zo worden geconstrueerd dat, als een bol in elke bol zou worden opgeblazen totdat deze de zijkanten zou raken, er geen sterrenstelsels in elke bol zouden zijn.
Dit staat bekend als een Delauney mozaïekpatroon. Het bijzondere aan Delauney-vlakkeels is dat naarmate de schaal groter wordt, er regels zijn voor het combineren van de tetraëders tot grotere. Deze regels zijn speciaal omdat ze omkeerbaar zijn, wat betekent dat de belangrijke kenmerken van de oorspronkelijke structuur kunnen worden gereconstrueerd wanneer u opnieuw inzoomt.
Dat maakt het veel gemakkelijker om de feedback tussen structuren op verschillende schalen te simuleren.
Het is dus geen verrassing dat astronomen enthousiast zijn over het potentieel van de zogenaamde Delaunay Tessellation Field Estimator (DTFE). Als je meer wilt weten, geven de Weygaert en een paar maten een uitgebreide schets van het idee op de arXiv vandaag.
Het zou moeten betekenen dat we een veel beter model zullen hebben van de grootschalige structuur van het universum.
Het zou ook moeten betekenen dat we de Powers of Ten-film kunnen updaten die, begrijpelijk gezien zijn leeftijd, geen details in het universum laat zien buiten onze lokale cluster van sterrenstelsels.
Referentie: arxiv.org/abs/0912.3448 : Geometrie en morfologie van het kosmische web: ruimtelijke patronen in het heelal analyseren