Sebuah tim ahli astrofisika baru saja menelurkan 8 juta alam semesta yang unik di dalam superkomputer dan membiarkannya berevolusi dari hanya titik ke titik tua. Tujuan mereka? Untuk mengetahui peran yang dimainkan zat tak terlihat yang disebut materi gelap dalam kehidupan alam semesta kita sejak Big Bang dan apa artinya bagi nasib kita.
Setelah menemukan bahwa alam semesta kita sebagian besar terdiri dari materi gelap pada akhir 1960-an, para ilmuwan berspekulasi tentang perannya dalam pembentukan galaksi dan kemampuan mereka untuk melahirkan bintang-bintang baru seiring waktu.
Menurut teori Big Bang, tidak lama setelah alam semesta lahir, seorang ahli fisika zat yang tak terlihat dan sukar dipahami menjuluki materi gelap mulai menggumpal bersama oleh kekuatan gravitasi menjadi awan besar yang disebut halo materi gelap. Ketika halo tumbuh dalam ukuran, mereka menarik gas hidrogen yang jarang menyebar ke alam semesta untuk bergabung dan membentuk bintang-bintang dan galaksi yang kita lihat hari ini. Dalam teori ini, materi gelap bertindak sebagai tulang punggung galaksi, menentukan bagaimana mereka membentuk, bergabung dan berevolusi dari waktu ke waktu.
Untuk lebih memahami bagaimana materi gelap membentuk sejarah alam semesta ini, Peter Behroozi, asisten profesor astronomi di University of Arizona, dan timnya menciptakan alam semesta sendiri menggunakan superkomputer sekolah. 2.000 prosesor komputer bekerja tanpa jeda dalam rentang tiga minggu untuk mensimulasikan lebih dari 8 juta alam semesta yang unik. Setiap semesta secara individual mematuhi seperangkat aturan unik untuk membantu para peneliti memahami hubungan antara materi gelap dan evolusi galaksi.
"Di komputer, kita dapat membuat banyak alam semesta yang berbeda dan membandingkannya dengan yang sebenarnya, dan itu memungkinkan kita menyimpulkan aturan mana yang mengarah pada yang kita lihat," kata Behroozi dalam sebuah pernyataan.
Sementara simulasi sebelumnya telah berfokus pada pemodelan galaksi tunggal atau menghasilkan alam semesta tiruan dengan parameter terbatas, UniverseMachine adalah yang pertama dari ruang lingkupnya. Program ini terus-menerus menciptakan jutaan alam semesta, masing-masing berisi 12 juta galaksi, dan masing-masing dibiarkan berevolusi selama hampir seluruh sejarah alam semesta nyata dari 400 juta tahun setelah Big Bang hingga saat ini.
"Pertanyaan besarnya adalah, 'Bagaimana galaksi terbentuk?'" Kata peneliti studi Risa Wechsler, seorang profesor fisika dan astrofisika di Universitas Stanford. "Hal yang sangat keren tentang penelitian ini adalah kita dapat menggunakan semua data yang kita miliki tentang evolusi galaksi - jumlah galaksi, berapa banyak bintang yang mereka miliki dan bagaimana mereka membentuk bintang-bintang itu - dan menggabungkannya menjadi gambaran komprehensif yang terakhir. 13 miliar tahun alam semesta. "
Membuat replika alam semesta kita, atau bahkan galaksi, akan membutuhkan daya komputasi yang tidak bisa dijelaskan. Jadi Behroozi dan rekan-rekannya mempersempit fokus mereka ke dua sifat utama galaksi: massa gabungan bintang-bintang mereka dan tingkat di mana mereka melahirkan yang baru.
"Mensimulasikan sebuah galaksi tunggal memerlukan 10 untuk operasi komputasi ke-48," Behroozi menjelaskan, merujuk pada operasi satu miliar, atau 1 diikuti oleh 48 nol. "Semua komputer di Bumi yang digabungkan tidak dapat melakukan ini dalam seratus tahun. Jadi, untuk hanya mensimulasikan satu galaksi, apalagi 12 juta, kita harus melakukan ini secara berbeda."
Ketika program komputer itu melahirkan alam semesta baru, ia membuat perkiraan tentang bagaimana laju pembentukan bintang pada galaksi berkaitan dengan usianya, interaksinya di masa lalu dengan galaksi lain dan jumlah materi gelap dalam lingkarannya. Ini kemudian membandingkan setiap alam semesta dengan pengamatan nyata, menyempurnakan parameter fisik dengan setiap iterasi untuk mencocokkan kenyataan dengan lebih baik. Hasil akhirnya adalah alam semesta yang hampir identik dengan alam semesta kita.
Menurut Wechsler, hasil mereka menunjukkan bahwa tingkat di mana galaksi melahirkan bintang terkait erat dengan massa halo materi gelap mereka. Galaksi dengan massa halo gelap yang paling mirip dengan Bima Sakti kita memiliki tingkat pembentukan bintang tertinggi. Dia menjelaskan bahwa pembentukan bintang tertahan di galaksi yang lebih masif oleh banyak lubang hitam
Pengamatan mereka juga menantang keyakinan lama bahwa materi gelap menghambat pembentukan bintang di alam semesta awal.
"Ketika kita kembali lebih awal dan lebih awal di alam semesta, kita akan mengharapkan materi gelap menjadi lebih padat, dan karena itu gas menjadi semakin panas dan lebih panas. Ini buruk untuk pembentukan bintang, jadi kami berpikir bahwa banyak galaksi pada awal semesta seharusnya sudah berhenti membentuk bintang sejak lama, "kata Behroozi. "Tapi kami menemukan yang sebaliknya: Galaksi dengan ukuran tertentu lebih cenderung membentuk bintang dengan kecepatan lebih tinggi, bertentangan dengan harapan."
Sekarang, tim berencana untuk memperluas UniverseMachine untuk menguji lebih banyak cara materi gelap dapat mempengaruhi sifat-sifat galaksi, termasuk bagaimana bentuk mereka berevolusi, massa lubang hitam mereka dan seberapa sering bintang mereka menjadi supernova.
"Bagi saya, hal yang paling menarik adalah bahwa kita sekarang memiliki model di mana kita dapat mulai mengajukan semua pertanyaan ini dalam kerangka yang berfungsi," kata Wechsler. "Kami memiliki model yang cukup murah secara komputasi, sehingga pada dasarnya kami dapat menghitung seluruh alam semesta dalam waktu sekitar satu detik. Kemudian kami mampu melakukan itu jutaan kali dan menjelajahi semua ruang parameter."
Kelompok penelitian menerbitkan hasil mereka dalam edisi September jurnal Monthly Noticeices dari Royal Astronomical Society.
