日本天文學家用超級電腦可以追溯到宇宙開始的時光

日本天文學家首次開發一種新方法，通過使用超級電腦進行模擬宇宙結構演化的時間，回到非常早期的時刻，從而探索宇宙開始的狀態。以往天文學家需要大量的觀測數據來驗證和解釋早期宇宙狀態的理論，但是通過使用這次開發的方法，可以預期，觀測所需的時間將會大大減少。

星系在宇宙中的分佈不均勻，從而形成了一種氣泡狀結構，稱為「宇宙的大規模結構」。這種結構是由重力作用形成，重力是由早期宇宙中發生的加速膨脹引起的微觀密度波動增長。這就是宇宙膨脹理論。但是，宇宙膨脹理論中也存在多種不同的理論，天文學家正在嘗試通過觀察來驗證那些經常描述實際早期宇宙中發生的事情。

為了驗證宇宙膨脹理論，有必要從觀測中得出有關早期宇宙中密度波動性質的數據。一種方法是根據組成宇宙大規模結構的星系分佈來估算密度波動的性質。但是，由於重力的作用，大型結構以138億年的時間繼續以復雜的方式演化，很難從星系的分佈中獲得關於原始密度波動的數據。

為了解決這些問題，由日本國立天文台副教授白崎正人領導的研究小組在統計數學研究所進行研究，該小組開發了一種稱為「重構法」的方法，這個方法可近似估算星系的演化時間。我想知道是否可以使星系的分佈更接近早期宇宙的密度波動。

首先，將基於密度不同的星系分佈設置為初始狀態，並進行引力多體模擬，以建立已演化為當前宇宙的模擬星系分佈數據。我們對該數據應用了一種重建方法，並創建了一個新的星系分佈，該分佈近似於回到早期宇宙的時間。研究小組在模擬四千個原始星系分佈不同的情況下，精確驗證了通過重建方法獲得的星系分佈。對於這些模擬，天文學家使用日本天文國立天文台從事研究天文專用的阿特瑞二型（ATERUI II）超級電腦。

結果，原始狀態的星系分佈和通過重構方法獲得的星系分佈顯示出非常相似的統計特性，並且認為可以充分消除重力引起的演化影響。換句話說，如果將重構方法應用於通過實際觀察獲得的數據，則可以消除重力演變的影響，並且可以提取先前認為困難得到有關早期宇宙中的密度波動的資料。此外，研究發現，即使觀測數據量僅為十分之一，重構方法也可以用於分析大型結構，其準確性與直接分析相同。

這項研究的結果不僅可以應用於現有的星系大數據，而且還可以應用於使用安裝在夏威夷昴星團望遠鏡上的超廣角光譜儀從銀河系觀測獲得的數據。如果能夠應用，觀測時間可以大大縮短。表示我已經獲得了一種節省時間的技術，可以科學地驗證宇宙如何開始。

【圖、文：節譯自日本國立天文台2021年2月16日新聞公佈】研究全文刊登在2021年1月4日出版的《物理評論 D》期刊