Astronomen creëren perfecte digitale kopie van het heelal

Een internationaal team van astronomen heeft met succes een synthetisch heelal gecreëerd dat zo realistisch is dat het nauwelijks te onderscheiden is van ons echte universum. De prestatie, beschreven in een nieuwe studie in het tijdschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, dient niet om ‘god te spelen’, maar om de betrouwbaarheid van het standaard kosmologische model te testen.

Het project, genaamd COLIBRE, markeert een doorbraak in kosmologische simulaties. Voor het eerst is het gelukt om een grootschalig virtueel universum te modelleren waarin niet alleen sterrenstelsels, maar ook koude gassen en kosmisch stof – de bouwstenen van sterren – nauwkeurig worden nagebootst.

„Het is opwindend om te zien hoe ‘sterrenstelsels’ uit onze computer rollen die er net zo uitzien als echte waarnemingen”, aldus Carlos Frenk, natuurkundige aan de Universiteit van Durham en medeauteur van de studie. „Ze delen dezelfde eigenschappen als echte stelsels: aantal, helderheid, kleur en grootte. Het meest opmerkelijk is dat we dit synthetische universum puur door het oplossen van de relevante natuurkundige vergelijkingen in een uitdijend heelal hebben gecreëerd.”

De overeenkomsten tussen de simulatie en de werkelijkheid zijn een geruststelling voor kosmologen. Het model bevestigt dat het standaardmodel de vorming van sterrenstelsels beter verklaart dan eerder werd gedacht. Dit is belangrijk, omdat recente ontdekkingen – waaronder waarnemingen met de James Webb-ruimtetelescoop – twijfels hebben gezaaid over de geldigheid van dit model.

Tot nu toe sluiten de simulaties goed aan bij observaties van zowel het vroege als het huidige heelal, inclusief de massa’s van enkele van de eerste sterrenstelsels. Toch blijft er een raadsel: de simulatie kan de ontdekking van de zogenaamde ‘Little Red Dots’ niet verklaren. Dit zijn heldere, ogenschijnlijk massieve objecten die in het jonge heelal (minder dan een miljard jaar oud) werden waargenomen, maar vandaag de dag nergens meer te vinden zijn. Mogelijke verklaringen variëren van extreem compacte sterrenstelsels tot een nog onbekende fase in de evolutie van superzware zwarte gaten.

„Sommige vroege resultaten van de James Webb-telescoop leken het standaardmodel uit te dagen”, aldus Evgenii Chaikin van de Universiteit Leiden, eveneens medeauteur van de studie. „Maar COLIBRE toont aan dat, zodra belangrijke fysische processen realistischer worden weergegeven, het model wel degelijk consistent is met wat we zien.”

Een decennium aan rekenkracht

De ontwikkeling van COLIBRE was geen sinecure. Het internationale team werkte bijna tien jaar aan het model en gebruikte daarvoor de COSMA8-supercomputer van de Universiteit van Durham. De simulatie vergde in totaal 72 miljoen CPU-uren – een record voor dit type onderzoek. Het analyseren van de enorme hoeveelheid gegenereerde data zal nog jaren in beslag nemen.

Eerdere simulaties moesten een harde grens trekken bij gassen kouder dan 10.000 graden Fahrenheit (ongeveer 5.500 graden Celsius), omdat deze te complex waren om te modelleren. Dankzij geavanceerde algoritmen en voldoende rekenkracht is het team er nu in geslaagd om deze beperking te overwinnen.

Toekomst van kosmologische simulaties

De COLIBRE-simulatie opent nieuwe deuren voor het begrijpen van het heelal. Onderzoekers hopen met deze methode niet alleen de vorming van sterrenstelsels beter te verklaren, maar ook mysteries zoals donkere materie en de versnelde uitdijing van het heelal te ontrafelen.

Hoewel de simulatie indrukwekkend is, benadrukken de onderzoekers dat het geen perfecte kopie van de werkelijkheid is. „We zijn nog ver verwijderd van een volledige simulatie van het heelal”, aldus Frenk. „Maar elke stap brengt ons dichter bij het begrijpen van de fundamentele wetten die ons universum vormgeven.”