宇宙はシミュレーションではないが、今ではシミュレーションできる

2000年代初頭、宇宙論を専門とするプログラマーたちの小さなコミュニティが、スーパーコンピューター上で140億年の宇宙の歴史をシミュレートしようと試みました。彼らの目的は、宇宙のプロキシ、つまり数ギガ年ではなく数ヶ月で実行可能なコンピュータコードによる「クリフスノート」版を作成することでした。これは、現実の宇宙を研究するための実験室として役立つはずでした。

シミュレーションは見事に失敗しました。ペトリ皿の中の突然変異細胞のように、模擬銀河は全く間違った方向に成長し、穏やかに回転する渦巻き状の銀河ではなく、星が過剰に散りばめられた塊になってしまったのです。研究者たちが銀河の中心に超大質量ブラックホールをプログラムすると、ブラックホールは銀河をドーナツ状に変形させたり、まるで徘徊するモンスターのように銀河中心から漂い出したりしました。

しかし近年、科学者たちは宇宙創造の科学と芸術を習得し始めたようだ。彼らは、初期の宇宙に存在した滑らかで高温の（模擬）物質流体に物理法則を適用し、その流体が今日の宇宙に存在するような渦巻銀河や銀河団へと進化していく様子を観察している。

「わあ、信じられない！と思いました！」と、カーネギーメロン大学の数値宇宙学者ティツィアナ・ディ・マッテオ氏は語った。彼女は、現在進行中の主要なシミュレーションシリーズの一つであるBlueTidesの最初の実行で、2015年に初めてリアルな渦巻銀河の形成を目撃したのだ。「ほんの数行のコードですから、自分でも驚きますよね？」

模擬宇宙の現実味が飛躍的に向上したことで、研究者たちはシミュレーションを実験室として活用するようになりました。シミュレーションを実行するたびにコードを解析し、シミュレーション宇宙の特定の特徴がどのように、そしてなぜ生じるのかを解明することで、現実世界で何が起こっているのかを説明できる可能性があります。新たに機能するこれらの代理モデルは、目に見えない物質の84%、つまり銀河を包み込んでいるとされる「暗黒物質」について、新たな説明や仮説を生み出しました。かつては現実の銀河に関する望遠鏡観測が難解で、標準的な暗黒物質仮説に疑問を投げかけていましたが、最先端の模擬データによって説明がつきつつあります。

これらのシミュレーションにより、ディ・マッテオ氏のような研究者は、銀河の中心を担う超大質量ブラックホールに仮想的にアクセスできるようになりました。これらのブラックホールは初期宇宙において未だ謎に包まれています。「今、私たちはこれらのモデルを用いて全く新しい予測を行うことができる、刺激的な段階にいます」と彼女は述べています。

ブラックホールエンジンとスーパーバブルの衝撃波

約15年前まで、ほとんどの宇宙論シミュレーションは現実的な銀河の形成を試みることすらありませんでした。標準的な仮説では重力相互作用のみを持つ暗黒物質のみをモデル化していたため、私たちが目にする複雑な原子核物質よりもコーディングがはるかに容易でした。

暗黒物質のみのシミュレーションでは、目に見えない物質でできた丸い「ハロー」が、目に見える銀河を包み込むのにちょうど良い大きさと形状で自発的に形成されることが分かりました。ドイツのハイデルベルク大学の著名な宇宙論研究者であるフォルカー・シュプリンゲル氏は、「これらの計算は、暗黒物質と暗黒エネルギーという二つの奇妙な要素があるにもかかわらず、現在では標準的な宇宙論モデルが、実際に何が起こっているかをかなり有望に予測していることを証明するのに非常に役立ちました」と述べています。

その後、研究者たちは目に見える物質をコードに加え始め、天文学的な難易度を上げていきました。暗黒物質ハローとは異なり、相互作用する原子は宇宙の進化とともに複雑に進化し、恒星や超新星といった幻想的な天体を生み出します。この物理法則を完全にコードに記述することは不可能だったため、コーディング担当者は簡略化したり省略したりせざるを得ませんでした。各チームはそれぞれ異なるアプローチでこの簡略化を行い、それぞれが重要と考える天体物理学的要素を抽出してプログラミングしました。

そして2012年、ポツダムのライプニッツ天体物理学研究所のセシリア・スカンナピエコ氏による研究が、この分野に警鐘を鳴らしました。「彼女は多くの人々を説得し、それぞれのコードで同じ銀河を実行させました」と、研究に参加したカナダのマクマスター大学のジェームズ・ワズリー氏は語ります。「そして、誰もが間違った結果になってしまいました。」彼らの銀河はそれぞれ異なって見え、「誰もが星を作りすぎてしまったのです」。

スカンナピエコの研究は「恥ずかしい」と同時に、非常に大きな刺激になったとワズリー氏は述べた。「このとき人々は、信頼できる銀河を作り出すためにはブラックホールが必要であり、超新星の働きを良くする必要があると気づき、さらに真剣に研究に取り組んだのです」。彼をはじめとする研究者たちは、現実の銀河では星の生成が減少すると説明した。銀河の燃料が不足すると、その光は燃え尽き、再び燃え尽きることはない。しかし、シミュレーションでは、ガスが放出されていないため、後期段階の銀河は「依然として猛烈な勢いで星を生み出している」とワズリー氏は述べた。

最新世代のシミュレーションでこの問題を解決した2つの重要なアップデートのうち、最初のものは渦巻銀河の中心に超大質量ブラックホールを追加したことです。時空構造の中に存在するこれらの計り知れない密度の底なしの穴は、中には太陽の10億倍以上の重さを持つものもあり、燃料を燃焼させるエンジンとして機能し、周囲の恒星、ガス、塵を乱雑に飲み込み、ジェットと呼ばれるライトセーバーのようなビームで破片を外側に噴き出させます。これが、現在の渦巻銀河で形成される星の数が以前よりも減少している主な理由です。

もう一つの新たな鍵となる要素は超新星、そして数百の超新星が次々に爆​​発し、その衝撃波が複合的に作用して形成される「スーパーバブル」だ。スーパーバブルでは、「小さな銀河が数百万年かけて自爆する可能性がある」と、2015年にGASOLINE2というコードにスーパーバブルを組み込んだワズリー氏は述べた。「非常に突飛な極端な天体だ」。星は集団で生まれ、死ぬ傾向があるため、スーパーバブルが発生する。数十万の星が巨大なガス雲の崩壊によって形成され、その後、約100万年の間隔で次々と超新星爆発を起こす。スーパーバブルは、領域全体、あるいは小さな銀河全体からガスと塵を一掃し、星形成を抑制し、押し出された物質を再び崩壊する前に攪拌する。スーパーバブルを組み込むことで、シミュレーションで再現する小さな銀河の現実味が格段に増した。

ニューヨークのクイーンズボロ・コミュニティ・カレッジとアメリカ自然史博物館に所属する、皮肉屋の若き数値宇宙学者、ジリアン・ベロヴァリーは、初期のブラックホールのいくつかをコード化し、2008年にGASOLINEに収録した。彼女は膨大な物理学を省略、あるいは簡略化して、ブラックホールがガスの密度と温度の関数としてどれだけのガスを消費すべきかを示す方程式と、ブラックホールがどれだけのエネルギーを放出すべきかを示す方程式をプログラムした。その後、ベロヴァリーの研究成果を基に、他の研究者も研究を進めた。最も重要なのは、ブラックホールを模擬銀河の中心に固定しつつ、同時にブラックホールが大量のガスを噴出して銀河ドーナツを形成するのを防ぐ方法を解明したことだ。

数十万もの銀河の物理現象を一度にシミュレートするには、膨大な計算能力と高度な計算能力が必要です。現代のスーパーコンピュータは、1つのチップに搭載できるトランジスタ数をほぼ限界まで達しており、10万個もの並列コアに拡張され、それらが協調して数値計算を行っています。プログラマーは、これらのコアをどのように分割するかを解明する必要がありました。シミュレートされた宇宙の一部は急速かつ複雑に進化する一方で、他の部分ではほとんど何も起こらず、状況が瞬時に変化するような状況では、これは容易なことではありません。研究者たちは、必要に応じてコンピュータリソースを適応的に割り当てるアルゴリズムを用いて、この広大なダイナミックレンジに対応する方法を発見しました。

彼らはまた、様々なロジスティックス上の戦いにも挑み、勝利を収めてきました。例えば、「同じガスを飲み込む2つのブラックホールがあり、それらがスーパーコンピューターの2つの異なるプロセッサ上にある場合、どうすればブラックホールが同じ粒子を飲み込まないようにできるでしょうか？」とベロヴァリー氏は言います。並列プロセッサは「互いに通信する必要がある」と彼女は言います。

ダークマターの保存

シミュレーションは、ついに科学研究に利用できるほど十分に機能するようになった。ディ・マッテオと共同研究者は、BlueTidesを使用して、宇宙の最初の6億年間の銀河形成に焦点を当てている。どういうわけか、超大質量ブラックホールはその期間中に暗黒物質ハローの中心に集まり、回転する目に見えるガスと塵のスカートを周囲に引き寄せるのを助けた。分かっていないのは、それらがどのようにしてそれほど急速に大きくなったかである。BlueTidesで目撃されたように、1つの可能性は、超大質量ブラックホールが、幼い宇宙の過剰密度のパッチにある巨大なガス雲の重力崩壊から自然発生的に形成されたというものである。「私たちはBlueTidesシミュレーションを使用して、この最初の銀河とブラックホールの集団がどのようなものかを実際に予測しました」とディ・マッテオは述べた。シミュレーションでは、生まれたばかりの超大質量ブラックホールの周りに、ピクルス型の原始銀河と小型の渦巻き銀河が形成されつつあるのが見える。将来の望遠鏡（2020年に打ち上げ予定のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を含む）が宇宙の奥深くをのぞき込み、銀河の誕生まで遡って観測するものが、今度はコードに組み込まれた方程式をテストすることになる。

この駆け引きのもう一人、リーダー的存在がカリフォルニア工科大学のフィル・ホプキンス教授だ。彼のコード「FIRE」は、比較的小規模な宇宙空間を高解像度でシミュレートする。「ホプキンス氏は、他の研究者がほとんど成し遂げていない方法で解像度を飛躍的に向上させました」とワズリー氏は語る。「彼の銀河は非常に鮮明に見えます」。ホプキンス教授と彼のチームは、天の川銀河を周回する「矮小銀河」のような、最もリアルな小型銀河をいくつか作成している。

これらの小さく暗い銀河は常に問題を提起してきた。例えば「失われた衛星問題」とは、標準的な冷たい暗黒物質モデルに基づくと、あらゆる渦巻銀河の周りを数百の衛星銀河が周回するはずと予想されることである。しかし、天の川銀河には数十個しか存在しない。このため、一部の物理学者はより複雑な暗黒物質モデルを検討するようになった。しかし、ホプキンス氏らが現実的なスーパーバブルをシミュレーションに組み込んだところ、過剰な衛星銀河の多くが消滅した。ホプキンス氏はまた、「カスプコア」と「大きすぎて潰せない」という、冷たい暗黒物質パラダイムを悩ませてきた2つの問題にも潜在的な解決策を見出した。

ワズリー、ディ・マッテオらは、改良されたシミュレーションによって、暗黒物質が存在するという主張を強固なものにしている。暗黒物質についての根強い疑問の最大の源は、銀河の可視部分間の奇妙な関係であると言える。つまり、星が銀河を周回する速度は、その軌道に含まれる可視物質の量と密接に連動している。星は暗黒物質ハローの重力によっても動かされているにもかかわらずだ。星を加速していると考えられる暗黒物質は非常に多いため、星の動きが可視物質の量とあまり関係があるとは考えにくい。この関係が暗黒物質の枠組みの中で存在するためには、銀河内の暗黒物質と可視物質の量が微調整され、それ自体が密接に相関し、銀河の自転速度がどちらか一方に追従する必要がある。

修正ニュートン力学（MOND）と呼ばれる代替理論は、暗黒物質は存在せず、むしろ可視物質が銀河の外縁部で予想よりも強い重力を及ぼしていると主張している。MONDは、有名な重力の逆二乗則をわずかに修正することで、観測されている銀河の回転速度と概ね一致する（ただし、暗黒物質に起因するとされる他の現象を説明するのは困難である）。

2016年、ケース・ウェスタン・リザーブ大学の宇宙学者ステイシー・マクゴーと共同研究者が、星の自転速度と可視物質の関係が様々な現実の銀河においていかに密接な関係にあるかを示したことで、この微調整問題はより深刻化したように見えた。しかし、マクゴーの論文は数値宇宙論コミュニティから3つの反論を受けた。3つのチーム（ワズリーを含むチーム、ディ・マッテオ、そしてビクトリア大学のフリオ・ナヴァロが率いるチーム）が、この関係が暗黒物質で満たされた銀河では自然に生じることを示すシミュレーション結果を発表した。

研究者たちは、冷たい暗黒物質ハローに関する標準的な仮定に基づき、マクゴーのサンプルのような銀河をシミュレートした。その結果、観測された銀河と非常によく似た線形関係が示され、暗黒物質が実際に可視物質を厳密に追跡していることが示唆された。「私たちは基本的に、彼らの関係にほぼ合致しました」とワズリー氏は述べた。彼と当時教え子だったベン・ケラーは、マクゴーの論文を見る前にシミュレーションを実行していたため、「モデルに一切の修正を加えることなく関係を再現できたという事実は、非常に示唆的だと感じました」と彼は述べた。

現在実行中のシミュレーションで、ワズリーはより大規模な模擬宇宙を生成し、この関係がマクゴーのサンプルに含まれるあらゆる種類の銀河に当てはまるかどうかを検証している。もし当てはまるなら、冷たい暗黒物質仮説はこの難問から逃れられるように見える。暗黒物質と可視物質が銀河内でこれほど密接に相関する理由について、ナバロらはシミュレーションに基づき、銀河形成時に角運動量が重力と共働するためだと説明している。

暗黒物質の問題以外にも、銀河シミュレーションコードは改良を続け、他の未知の領域も反映させています。シュプリンゲル氏と共同研究者による、高い評価を得ているIllustrisTNGシミュレーションシリーズは、今回初めて大規模な磁場を組み込んでいます。「磁場は天文学における幽霊のようなもので、銀河の力学においてあまり解明されていない役割を果たしています」とベロヴァリー氏は説明します。シュプリンゲル氏は、磁場が銀河風（これもまた謎です）に影響を与える可能性があると考えており、今回のシミュレーションはそれを検証するのに役立つでしょう。

ホプキンス氏によると、大きな目標は、それぞれ異なる時間スケールや空間スケールに特化した多数のシミュレーションを組み合わせることだという。「やりたいのは、あらゆるスケールをタイル状に並べることです」と彼は言った。「各段階で、より小規模なスケールの理論と観測結果を用いて、あらゆるスケールで必要な理論と入力情報を得ることができるのです。」

研究者たちは、最近の改良により、「これで十分」と判断するべき時期について哲学的な議論が巻き起こっていると述べている。シミュレーションに天体物理学的な要素を過剰に取り入れると、何が何を引き起こしているのかを判断するのがますます困難になり、最終的にはその有用性が制限されるだろう。ワズリー氏が述べたように、「私たちは現実の宇宙ではなく、偽の宇宙を観察しているだけで、それを理解していなくなってしまうのです」。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。