볼쇼이 우주 시뮬레이션
Bolshoi Cosmological SimulationNASA 아메스 연구소의 플레이아데스 슈퍼컴퓨터에서 2010년에 실행된 우주의 컴퓨터 모델인 볼쇼이 시뮬레이션은 우주의 대규모 구조가 진화된 그 시대에 가장 정확한 우주론적 시뮬레이션이었다.[1]볼쇼이 시뮬레이션은 NASA의 Wilkinson 마이크로파 아니소트로피 탐사팀의 WMAP 5년 및 7년 우주론 매개변수와 우주의 현재 표준인 λ다-CDM(Lambda-CDM) 모델을 사용했다.[2]"볼쇼이 시뮬레이션의 주된 목적은 암흑물질 할로스의 진화를 계산하고 모형화함으로써 천문학자들이 연구할 수 있는 보이지 않는 것을 보이게 하고 천문학자들이 관찰할 수 있는 가시적 구조를 예측하는 것이다."[3] 볼쇼이(Bolshoi)는 '크게'라는 뜻을 가진 러시아어 단어다.
볼쇼이와 그 함의에 대해 설명하는 일련의 연구 논문 중 첫 두 편이 2011년 Astrophysical Journal에 발표되었다.[4][5]볼쇼이 산출물의 첫 번째 데이터 공개는 세계 천문학자와 천체물리학자들이 공개적으로 이용할 수 있게 되었다.[6]이 데이터에는 볼쇼이 시뮬레이션과 빅볼쇼이 또는 멀티다크(MultiDark)에서 볼쇼이의 64배에 달하는 볼륨 시뮬레이션의 출력이 포함된다.[7]볼쇼이와 같은 해상도의 볼쇼이-플랑크 시뮬레이션은 2013년 3월 공개된 플랑크 위성팀의 우주학적 파라미터를 이용해 플레이아데스 슈퍼컴퓨터에서 2013년 실행됐다.볼쇼이-플랑크 시뮬레이션은 2014년 결과 발표 및 배포에 대비해 현재 분석 중이다.[8][9]
볼쇼이 시뮬레이션은 2018년을 기점으로 계속 개발되고 있다.
기부자
산타크루즈 캘리포니아 대학의 조엘 R. 프리맥 팀은 라스 크루체스에서[4][5] 뉴멕시코 주립대학의 아나톨리 클라이핀의 그룹과 제휴하여 볼쇼이 시뮬레이션을 실행하고 분석하였다.스탠포드 대학의 리사 웩슬러 그룹 등의 관측치와의 추가 분석과 비교는 볼쇼이 시뮬레이션을 기반으로 한 논문에 반영된다.[10]
이론적 근거
밤하늘의 천문학자들이 실제로 보는 것과 일치하는 결과를 가진 은하 진화의 성공적인 대규모 시뮬레이션은, 고용된 모델의 이론적 기반, 즉 슈퍼컴퓨터 구현 cdCDM이 은하 역학 및 은하계의 역사를 이해하기 위한 건전한 기반이라는 증거를 제공한다.이버스(Iverse), 그리고 더 많은 연구를 위한 길을 열어준다.볼쇼이 시뮬레이션은 우주에 대한 최초의 대규모 시뮬레이션은 아니지만, 현대 천체물리학적 관측의 놀라운 정밀도에 필적하는 최초의 시뮬레이션이다.[1]
이전의 가장 크고 성공적인 은하 진화의 시뮬레이션은 볼커 스프링젤이 주도한 밀레니엄 시뮬레이션 프로젝트였다.[11]비록 그 프로젝트의 성공이 400개 이상의 연구논문을 자극했지만, 밀레니엄 시뮬레이션은 그 이후로 쓸모 없게 된 초기 WMAP 우주론 매개변수를 사용했다.그 결과 은하 분포에 대한 예측을 이끌어 냈는데, 관측과 잘 맞지 않는 예측도 있었다.볼쇼이 시뮬레이션은 최신의 우주학적 매개변수를 사용하며, 해상도가 더 높으며, 보다 상세하게 분석되었다.[10]
방법들
볼쇼이 시뮬레이션은 각각 약 2억 개의 태양 질량을 나타내는 86억 개의 암흑물질 입자가 약 10억 광년 떨어진 3차원 공간의 입방체에서 진화하는 분포를 따른다.암흑물질과 암흑에너지가 이 모델에서 우주의 진화를 지배한다.역학관계는 차가운 암흑물질(CDM)과 암흑에너지라고 하는 우주 가속도를 시뮬레이션하는 Ⅱ우주론 상수 항을 포함한 모델로 ⅡCDM 이론과 알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 모델링된다.
빅뱅 이후 우주의 진화의 첫 1억년(Myr) 정도는 분석적으로 도출될 수 있다.[12]볼쇼이 시뮬레이션은 빅뱅 이후 약 20Myr에 해당하는 레즈히프트 z=80에서 시작되었다.초기 매개변수는 WMAP 웹 사이트의 일부인 [14]CAMB[13] 도구에 의해 구현된 선형 이론으로 계산되었다.[15]이 도구는 앙상블에서 입자의 위치 및 속도에 대한 통계적 분포를 포함하여 향후 약 138억 년의 볼쇼이 시뮬레이션에 대한 초기 조건을 제공한다.따라서 실험 용적은 우주의 무작위 영역을 나타내므로 관측치와의 비교는 통계적이어야 한다.
볼쇼이 시뮬레이션은 적응형 메쉬 미세화(AMR) 알고리즘 버전인 적응형 미세화 트리(ART)를 채택하는데, 이 알고리즘은 물질의 사전 정의된 밀도 이상의 공간 내 큐브를 작은 입방체의 메쉬로 재귀적으로 나눈다.하위분할은 너무 많은 슈퍼컴퓨터 시간을 사용하지 않기 위해 선택한 제한수준으로 계속된다.볼쇼이의 경우 큰 불연속성을 피하기 위해 인접한 큐브들은 너무 많은 레벨에 따라 달라지는 것이 허용되지 않는다.AMR/ART 방법은 시뮬레이션이 진행됨에 따라 진화하는 물질의 점점 더 불균형한 분포를 모델링하는 데 매우 적합하다.일단 만들어진 메쉬는 각 단계마다 파괴되기보다는 진화하는 입자 분포에 맞춰 신속하게 조정된다.[16]볼쇼이 시뮬레이션이 실행될 때, 암흑 물질을 나타내는 86억 개의 입자 각각의 위치와 속도는 플레이아데스 슈퍼 컴퓨터에서 시뮬레이션된 138억 년 동안 대략 균일한 간격으로 180개의 스냅샷에 기록되었다.[4]그런 다음 각 스냅샷을 분석하여 모든 암흑 물질 할로 및 각 물질의 특성(입자 구성원 자격, 위치, 밀도 분포, 회전, 모양 등)을 찾아냈다.이 모든 데이터는 모든 후광의 전체 성장과 병합 역사를 결정하는 데 사용되었다.이러한 결과는 은하가 어디서 형성되고 어떻게 진화할지 예측하는 데 차례로 사용된다.이러한 예측이 관측치에 얼마나 잘 대응하는지 시뮬레이션의 성공 여부를 측정한다.다른 점검도 이루어졌다.[5]
결과.
볼쇼이 시뮬레이션은 약 10억 광년 거리의 그렇게 큰 공간에 대해 지금까지 얻은 가장 좋은 현실 근사치를 산출한 것으로 간주된다."볼쇼이는 실제와 놀랍고 괴상하게 닮은 모델 우주를 생산한다.볼쇼이는 빅뱅 직후 알려진 물질의 분포를 바탕으로 한 초기 조건부터 시작해 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 시뮬레이션의 '규칙'으로 삼아 은하계가 거대한 공극을 둘러싸고 있는 수억 광년 길이의 필라멘트로 늘어선 현대 우주를 예측해 우주 폼-l을 형성한다.sloan digital sky survey와 같은 깊은 은하 연구에서 드러난 것처럼 우주 거미줄과 정확하게 일치하는 ike 구조볼쇼이는 이와 같은 접전을 이루기 위해 우주론자들에게 우주가 실제로 어떻게 진화했는지 상당히 정확한 그림을 분명히 보여주고 있다고 말했다.[17]
지원
이 연구는 NASA Ames Research Center에서 NASA Advanced Supercomputing(NASA Advanced Supercomputing, NASA) 슈퍼컴퓨터 플레이아데스(Playades)에 대한 대규모 슈퍼컴퓨터 시간 부여를 포함하여 NASA와 NSF로부터 지원을 받았다.라이프니즈 천체물리학 포츠담(AIP)에서 볼쇼이 출력 및 분석의 호스팅은 스페인 MICINN 프로그램의 멀티다크 보조금에 의해 부분적으로 지원된다.[18]
대중문화에서
National Geographic TV Special Inside the Milky Way에서 볼쇼이 시뮬레이션의 시각화가 내레이션되었다.[7][19]아이슬란드 출신의 싱어송라이터 비외렉은 자신의 바이오필리아 콘서트에서 뮤지컬 넘버 '다크마테'의 공연에서 볼쇼이 우주론 시뮬레이션 영상을 사용했다.[20]
참조
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