【宇宙】スーパーコンピューターを使って2000万個の銀河の成長をシミュレーションする

Cover Story : 宇宙の進化：スーパーコンピューターを使って2000万個の銀河の成長を
シミュレーションする

　最近の銀河サーベイからはきわめて多量のデータが得られるため、宇宙における銀河の
位置を以前よりはるかに正確に図示したり、環境と宇宙時間の関数として銀河の物理的性
質の分布を明らかにしたりできる。

　現在、コンピューター・シミュレーションを用い、これらのサーベイによってもたらされた宇
宙の歴史の壮大なスナップショットを統合して、背景にある物理過程の働きを示す首尾一貫
した描像を得ることが試みられている。広大な宇宙論的空間での2000万個の銀河の成長が
モデル化され、最初の明るいクエーサーの例外的といえる形成場所や、最終的な運命を明
らかにできることがわかった。

　大規模なサーベイのデータには銀河分布の特徴が含まれると考えられ、こうした分布は
初期宇宙の物理的性質を直接反映している。またこうしたデータから、宇宙の膨張を現在
加速させている、謎の多い暗黒エネルギーの性質を明らかにできるかもしれない。

　表紙はシミュレーションで再現された宇宙の薄い切片中の暗黒物質の分布を示す図。

Nature Highlight June 02, 2005
http://www.natureasia.com/japan/nature/updates/index.php?id=1021&issue=7042
表紙http://www.nature.com/nature/journal/v435/n7042/index.html

宇宙 : 宇宙を再現するシミュレーション

　宇宙の成長に関するこれまでで最大規模のシミュレーションを実行した結果が、Nature2005
年6月2日号に掲載されている。これは、暗黒物質と呼ばれる謎の成分の影響下で銀河や銀
河団が成長するようすを追跡したものだ。暗黒物質は、現在あるような姿に銀河を進化させる
のに一役買っていると考えられている。

　VirgoコンソーシアムのV Springelらは、暗黒物質を表す百億個の質点がビッグバンのわず
か数億年後から宇宙の進化に影響を及ぼすようすをシミュレーションで再現した。これにより、
宇宙に存在するさまざまな構造が数十億年にわたって変化成長するようすを研究することが
可能になった。

　たとえばこのシミュレーションでは、中心に超大質量ブラックホールを持つ銀河は十分早く
形成され、最初のクエーサーのホスト銀河になりうるという結果が示されている。暗黒物質
理論に批判的な立場からすれば、ビッグバン後どのようにしてそれほど速やかにクエーサー
が形成されたのかを、この理論で説明できるのかどうか疑わしかったのだ。

　「このシミュレーションによって、宇宙の始まりから現在までの銀河やクエーサーの性質に
ついて、現状で最も詳細かつ正確な理論的予測ができる」と、N Gnedin はNews and Views
で語っている。

Nature Highlight June 02, 2005
http://www.natureasia.com/japan/nature/updates/index.php?id=1023&issue=7042

宇宙:銀河とクエーサーの形成、および大域的分布の進化のシミュレーション
Volker Springel, Simon D. M. White, Adrian Jenkins, Carlos S. Frenk, Naoki Yoshida,
Liang Gao, Julio Navarro, Robert Thacker, Darren Croton, John Helly, John A. Peacock,
Shaun Cole, Peter Thomas, Hugh Couchman, August Evrard, Jorg Colberg & Frazer
Nature 435, 629-636 (2 June 2005) | doi: 10.1038/nature03597
http://www.nature.com/nature/journal/v435/n7042/abs/nature03597.html

宇宙:宇宙をデジタル化
Nickolay Y. Gnedin
http://www.nature.com/nature/journal/v435/n7042/full/435572a.html

関連情報は>>2あたり

関連スレ：
【天文】100億光年先「見えた」：クエーサー観測撮影に成功＝光学望遠鏡なゆた[050603]
http://news18.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1117789685/ (05/06/03)
【宇宙】太陽10兆個分の輝き、隠れたモンスター銀河を発見＝NASA
http://news18.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1110980447/ (05/03/16)
【宇宙】光の泡による暗黒時代の終焉
http://news16.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1100471572/ (04/11/15)
【天文】宇宙でもっともまぶしく輝く天体、クエーサーの意外な住み処
http://news16.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1086878795/l50 (04/06/10)
【天文】互いの周りを高速周回し重力波を放出する白色矮星の連星系J0806
http://news18.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1117775208/ (05/06/03)
【宇宙】気球による硬Ｘ線背景放射の観測成功　BHの進化・暗黒物質からのエネルギー流解明目指す
http://news18.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1117419334/ (05/05/30)
【宇宙】超巨大ブラックホールからの鉄蛍光X線スペクトル――みんな宇宙がまだ約20億歳になる前にできた？
http://news18.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1117203291/ (05/05/27)
【天文】銀河同士の衝突で銀河と巨大ブラックホールが急成長（動画あり）
http://news18.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1113696406/ (05/04/17)
【宇宙/物理】 ブラックホールなどない！ダーク・エネルギー星だ　時空自体の変動で暗黒物質が作り出される
http://news18.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1113327601/ (05/04/13)
【チャンドラ】ビッグバンからわずか10億年後に存在した、大質量ブラックホールの決定的証拠
http://news18.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1102432641/ (04/12/08)
ブラックホール連星の軌道について、初のシミュレーションに成功
http://news16.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1086353298/l50 (04/06/04)

#同じ論文に対して二つの紹介記事･･

2000マンコ・・・

シミュレーションとエミュレーションの違いがわかりません。

>>4
実際の物理的な事象をコンピュータなどで再現させることを「シミュレーション」
って言うな。
あるコンピュータを他のコンピュータで再現させることを「エミュレーション」
って言うしな。正確な定義はわからんけど。

それにしても、「スーパーコンピュータ」って久しぶりに聞いた。

スーパーコンピューターを使って200のマンコの成長をシミュレーション

誰かマジレスキボン
よくコンピューターでシミュレーションするとか言うけど、
結局は人間がプログラミングしたものでしょ？
指示した通りにしか動かないものなのに、どうシミュレーションしてるの？

>指示した通りにしか動かないものなのに、どうシミュレーションしてるの？
俺も同じｷﾞﾓﾝ。
いろんな不確定要素をどう取り入れてるんだろう。

知ってるかい？
実は俺たちが存在してるこの世界はジーザス･クリトリスって人の
コンピュータの中に作られた銀河のシミュレーションなんだ。
だからジーザスのママがコンセントを抜くと俺たちは一瞬にして
消えてしま（ﾌﾟｯ

暗黒物質って本当にあるのかな…。
銀河の運動とかから間接的に「あるはず」って事になってるみたいだけど…。
重力を持たせなければならないから一応「物質」って言ってるけど…。
まだまだ判らん事は多い…。
カルチャーショックを受ける様な信頼できる新理論が見つからないかな…
相対論とか量子論ができた頃は面白かっただろうに…。
最近ではＭ理論が、全物理理論を包括できる究極の理論の様に言われているけど…。
正直、１１次元だの言われても、本で説明読んでも理解できないよ…。
４次元までは良いとしてもそれ以上って…。

頭がパニック起こしそう

計算量っていうのがあって、論理的に式に表せても、実際に値を求めるには
莫大な計算をしないといけなくて人はもちろん
どんなに高速なコンピュータでも計算しきれないものがあるんだよ。

>>9

どこが面白いの？

>>7
この辺になんかいいこと書いてあるんじゃないの。実はまだ読んでないが。

Amazon.co.jp： 本: シミュレーションの思想
http://www.amazon.co.jp/exec/obidos/ASIN/413063805X/

>>7
>>8
乱数（ランダムな数字）を発生させる。

>>13
マジレスすると、
「(プッ」
はコンセントが抜かれたことを言いたかったんじゃない？

>>7,8
ホントはカオス理論とか、かなりややこしい説明をせんと正確ではないが、
とりあえず簡単に(ホントはやや不正確な)イメージを言っとく。
例えばパチンコ。
藻前はパチンコ玉をバネで弾くとどう飛んで逝くのかを知っている。
釘に当たればどう弾かれるのかも大体予想が付く。
しかし、実際パチンコやって、何十何百という銀球が弾き弾かれ、
釘に跳ね返る様を正確にイメージはできない。
そんなもんがイメージできるなら、コンピュータ操作でガチガチに
固めない限りパチンコが成り立たない(まぁ実際そういう面もあるが…)
訳。予想がつかないからこそ、ゲームは成り立っている訳だ。

ましてや、宇宙何て言ったら、高々フックの法則とか運動量保存則
とか諸々の古典力学だけで(理論上は)説明可能なパチンコより、遥かに複雑な
ルールのゲーム。
方程式を知ってて、ときには解も得られているにしても、それが具体的に
どういう振る舞いをするシステムなのかは見ただけでは普通分からない。
結局、方程式なんてものは一種の記号。「イメージ」を他者に媒介するための
言語に過ぎない。
それじゃ、ここでいう「イメージ：とは何なのかっていうと、
誤解を恐れずに言えば、主に視覚が発達ている人類にとっては図形。つまり
古典的な意味での幾何。だから、科学の世界では必ずグラフとか図式とか。
そういう幾何的なイメージが、単なる数値データより重要視される(勿論数値
データがあるからそういう「幾何」が構成せきるのだが)。
つあｍり、シミュレーションっていうのは、単に「数値」を与えるだけの
数式に、具体的な幾何的イメージを与える効果があるってこと。
ま、やってることは、y=axって数式を直線グラフにして、「比例」って
性質を視覚化するとか、そういうことの延長線。

こういうのはGRAPE得意そうだけどなぁ。

2000ﾏﾝｺかぁ〜

俺のSempron2200+でシミュレーションすると、どれくらいかかる？

>>10
最近は暗黒物質じゃなくて、暗黒エネルギーになってるみたいよ。

>>21
そなの？
最近、古いブルーバックスシリーズばっかり読んでたから時代に遅れた？
当時のひも理論は、まだ、１０次元の話だったからな…。
もう、暗黒物質って言っちゃ駄目なの？物質じゃなくなったの？

>>22
ブルーバックスか…中には結構オカルトに近いものもあるからご注意を

ダークエネルギーはまた別物だろ。
ダークマター（暗黒物質）は宇宙全体の質量のうちかなりの部分を占めるもので、いろんな観測により存在が確認されてる。
ダークエネルギーの正体は真空のエネルギーで、宇宙を膨張させてるエネルギー。
質量とエネルギーは変換可能だから、両者を区別するのはナンセンス。
んなわけでひっくるめて宇宙全体のエネルギーとすると、そのうち4分の3はダークエネルギー、4分の1はダークマター、数%は観測可能な物質ってことになる。

>>21
ダークマターとダークエナジーは別物。

ダークマターは銀河の見えない質量や宇宙の構造形成に関連する、正体不
明の重力源。

ダークエナジーの方は、宇宙膨張が加速しているという観測事実を説明する
ために導入された。膨張を加速させる斥力項の働きをしている。アインシュタイ
ン方程式の宇宙項と数学的には等価のようだけど、正体は不明。

>>23 >>24
ほうほう、そなんですか…。

何だかダーク〜というのは、判らんものを理論的に、つじつま合わせる為に導入した、
場当たり的な発想の様に思えてならんのは俺だけかの…。
何せ、近所（太陽系とか、地球がある銀河）には無いというのがどうもなぁ。
まあ、物理学の進歩には、よくある事だが…。近所に無いというのがな…。

＞＞２０
それで、２ちゃんやってんのか？虚しいやつだなＷ

＞まあ、物理学の進歩には、よくある事だが…。近所に無いというのがな…。

違う。観測できないだけ。
直接観測できるのはほとんどが電磁波で、
あとの観測はたいてい間接的だから
そもそも宇宙全体のことをいきなり全部知るなんてことは難しい。
たとえばダークマターの発見だって、
電磁波の観測(直接的)から光る天体の移動速度を推定し(間接的？)、
その運動から天体にかかる重力を推定し(間接的)、重力の強さと天体の位置から
関与した質量の大きさと分布域と推定した(間接的ダークマターの発見)。

これはごく当たり前な方法論で、別にダークマターに限らない。

また、電磁気的な相互作用というのは飛びぬけて強くて、
そもそも電磁波で直接観測できないものはいくらあっても
ほとんど関わることはできなくて当たり前だ。例えばニュートリノ。
ニュートリノはそういった不感症な粒子の中でも
もっともありふれた軽い粒子だから大量に作られおかげで観測も可能だが
それでもスーパーカミオカンデのような巨大な観測装置を必要とする

しかし重力は弱くても引力ばかりなので大量に集まれば大きな力となる
そのため銀河規模まで広がると影響が無視できなくなる…ことも、
非常にありえそうな話である
もちろん、普通の物質で光を発しない状態に置かれているものだって
大量にあるだろうし、ということでそもそも候補がいくらでも思いつく状態なのだ。

ダークマター以外のアイデアを出すにしても、
ある程度ダークマターが存在することは確実なのだから
それを無視して自説ぶっ放すのは非常に難しいだろうね

>>27 なるほど…詳しい説明どうも。復習になりますた。
昔のエーテルの様な存在にならねば良いですね…。
どうも、個人的にそんな予感がしてなりませぬ…。
ダーク〜の存在を否定するには、アインシュタイン級の人物が必要な様ですね…。
でも、良く知っておられる。宇宙論は面白いですよね…。夢があって…。

>>28
＞昔のエーテルの様な存在にならねば良いですね…。
＞どうも、個人的にそんな予感がしてなりませぬ…。

というか、ダークマターの存在は確実だから。
その正体については議論の余地があるけど。
間接的にしろ、存在は証明されてるんだし。
というか直接観測されたら、それはダークマターじゃないし…

>>23
>結構オカルトに近いものもあるからご注意を
それがブルーバックスの醍醐味

宇宙に関する定説は殆ど全て神話と同レベルの信頼性しかなくて
科学といえるレベルには至っていないことを殆どの人は知らない。

>>31
ということにしたいのですね

>>31
まあ究極的には、物理のキモである「実験データで白黒つける」
ってヤツが、宇宙レベルだとかなり無理が出るからね。
まあ、技術の発展で、数百年とかのレベルなら、ちょっとずつ
何らかの方法が見出されてくることだろうけど、本当の「究極理論」
の実験に関しては、神の視点からでないと無理だろうね。
何となくウィトゲンシュタインの「語り得ぬもの」を連想するわ。

ふと疑問に思うんだが、普通シミュレーションするときってよーいドンで
ある時間刻みを決めて系全体を時間発展させてゆくけど、
そういうシミュレーションのやり方はある意味、系全体に共通な
時計があるとみなしているわけだよね。こういう見方はニュートン力学的な
離れた２点における時間の同時性を想定しているわけだが、天体の問題
みたいに相対論的な扱いが必要になったときに、シミュレーションしている
系の離れた２点の同時性っていうのはアインシュタイン的な視点から
捉え直さないといけないと思うんだけど、実際どうやって解いてるんだろうか。
相対論的時間刻み法?のような手法があるんだろうか。

情報（エネルギー）の伝達スピードを考えるだけ出し。
必要なら普通に計算している。

×必要なら普通に計算している。
○必要なら普通に伝達時間も考慮して計算している。

いや、もっと正しく言うなら、シミュレーション計算式の中に
相対的な部分も入っているから、有る意味あたりまえ。
そうしないと正しいシミュレーションにならないし。

>>37
>いや、もっと正しく言うなら、シミュレーション計算式の中に
>相対的な部分も入っているから、有る意味あたりまえ。

なるほど。といいながらほとんど理解できないけど・・。
非相対論的なシミュレーションしかやったことないので。
基礎方程式に相対論効果が入っているというのはわかるんだけど、
その場合、シミュレーションしている各銀河はそれぞれ別の時計に
したがって時間発展してるということになるんでしょうか。
それに、「数10億年分の時間発展を追跡しました」って言うときの
その数10億年っていうのは何を基準に計っているんだろうか。
考えても頭がこんがらがるばかり・・・。

>>38
全体で一つの時間でしょ。
ただ、力の伝達や、場合によったら空間の歪みも計算してる。
詳細は本人じゃないから知らないが。
たとえば、ブラックホールの衝突や２重連星のシミュは空間の歪までやってると思われ。

>>38
何度もすまぬ。
全体では1つの時間だが、1つの銀河に影響する重力を計算する場合。
100光年離れた銀河の力を計算するのは、100年前の位置の重力を計算をする。
そんな感じだと思われ。これでいい？

>>34
相対論では時間および空間座標はどうとってもいい（だから「相対」論）。
でも一様等方がいい近似だとわかっている宇宙論のシミュレーションでは
銀河の共動時間（銀河の固有時）とか、グローバルな宇宙の座標時間をと
るのが自然で便利だと思われ。

中性子星やブラックホールなどの重力の強い天体の動力学シミュレーション
をやる場合は、時間の選び方が結構な問題になってくる。理論的にはどの時
間座標を使ってもいいはずなのだが、実際に計算してみると座標の取り方が
まずい場合は計算がすぐに破綻してしまう。

銀河団スケールくらいまでのシミュレーションでは相対論効果は小さいので
ニュートン力学の扱いで十分。つまり時間はニュートンの意味で絶対時間に
なっている。時間座標のとり方に悩む必要はない。重力場は各瞬間のニュー
トンポテンシャルを単純に足して求めればＯＫ。

>>39-41
参考になりました。ありがとう。

暗黒物質の定義もいつのまにか変化しているからな・・。

暗黒物質はバリオンを含めた行方不明物質のことを意味していた
はずなのに、行方不明物質の大部分が非バリオンとわかってから、
非バリオン行方不明物質を「暗黒物質」とよび、バリオン行方不明
物質を単に「行方不明物質」と呼ぶようになった。

世界最大、20億立方光年の宇宙シミュレーション
【2005年6月8日 PPARC News】
イギリス、ドイツ、日本、カナダ、アメリカの天文物理学者からなる国際グループ「Virgo協会」が、
宇宙の進化と銀河やクエーサーの形成に関する、今までで最大のシミュレーションを行い、その
最初の結果を発表した。

「ミレニアム・シミュレーション」と名付けられたシミュレーションによって再現されたのは、20億立方
光年という広大な領域にある100億個以上の粒子の分布の移り変わりだ。膨大な出力結果から、
形成された2000万個の銀河と、その中心部にある巨大なブラックホールが進化していく過程を追う
ことができるという。

マイクロ波で捉えた宇宙の背景放射から、われわれの宇宙がたった40万歳だったころ、宇宙に
見られる構造といえば、物質と電磁波が作るさざ波ほどのゆらぎしかなかったことが明らかになって
いる。やがてそれらが重力作用によって、現在見られるような複雑かつ豊かな構造をもつ宇宙へと
進化してきたのだ。天空探査スローン・デジタル・スカイ・サーベイ（SDSS）によって、宇宙年齢が
今の10分の1しかなかったころに、すでに太陽の10億倍以上の質量を持つブラックホールが存在した
ことが観測されている。この急速な進化は、従来のモデルでは考えられなかった。しかし、ミレニアム・
シミュレーションの結果では、SDSSが発見したような大きさのブラックホールが、宇宙誕生後数億年で
形成された。

最新の宇宙論によれば、宇宙の70％は、宇宙膨張を加速させている原因とされる暗黒エネルギーで、
25％が観測できない未知の物質であるダークマター、そして私たちが実際に見ることができる物質は
5％しかないという。ミレニアム・シミュレーションは、これらすべてを計算に組み込んでいる。従って、
ミレニアム・シミュレーションの結果は、見えている宇宙だけでなく、ダークマターや暗黒エネルギーの
性質、そしてそれらを含めた宇宙の全体像の理解に大きく貢献するはずだ。

http://www.astroarts.co.jp/news/2005/06/08millenium_simulation/index-j.shtml

下らんことするな。税金返せ。

2000のﾏﾝｺの成長を見守るｽｰﾊﾟｰｺﾝﾋﾟｭｰﾀｰを連想したら吐いた。