top of page

CAMELS blog

What can we learn from our Universe’s climate?

  • Feb 7, 2022
  • 4 min read

Some of the most interesting phenomena in Nature involve interactions between vastly different scales. We can illustrate this with an example from our own experience: volcanic eruptions. They are comparatively small-scale, highly energetic events which have the power to influence the entire globe. The recent eruption of the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai volcano caused human tragedy in the state of Tonga, but also caused tsunami waves in places as far away as Peru and even on the Atlantic ocean. Looking further back, there have been even more energetic volcano eruptions, for example the Mount Tambora event in 1815 which caused a cool-down in the world’s climate dubbed the “year without a summer”.


Due to the intricate mechanisms affecting an eruption, single events are impossible to accurately predict. However, by examining the geological record (for example ice cores), geologists are able to draw statistical conclusions regarding the frequency and characteristics. This is made possible by the aforementioned climatic changes that volcanic eruptions are able to cause.


In an entirely different field, Cosmology, the situation is very similar. Here, staggering energy input can be caused by active galactic nuclei (AGN) and supernovae. AGN are supermassive black holes residing at the centers of galaxies. Gas, dust and stars are drawn into the AGN and in the process release vast amounts of energy. Similarly, at the end of their lives massive stars explode in supernovae, dispersing highly energetic matter over large scales. These small-scale events are able to affect cosmological scales thanks to the incredible amount of energy released. Unfortunately, they are also extremely difficult to understand if one starts from the basic laws of physics due to the interplay of complex multi-scale processes. In numerical simulations of the cosmos, this problem is circumvented by describing AGN and supernovae with an effective model that is calibrated on astronomical observations.


In the study summarized here, we consider observations of the Universe’s “climate” – very similar to what is done for volcanoes! The two quantities that we can measure are the mean pressure and mean temperature of electrons in the observable universe. While geologists use ice cores to form statistical averages across time, cosmologists can statistically average over the Universe’s volume (which implicitly involves an average over time due to the finite speed of light). By comparing the measured pressure and temperature with the output of numerical simulations, we can pin down which simulations are best able to describe our actual Universe.


The fact that we can even measure our Universe’s climate is thanks to the cosmic microwave background (CMB). The CMB was generated at a time when the Universe was still a hot and almost homogeneous soup of plasma. Photons reaching us from this early stage contain a tremendous amount of information about the cosmos when it was still in its infancy. However, they also act as a back-light enabling us to discern cosmic structures formed much later after the CMB was released. By interacting with free electrons, the CMB photons acquire a distinct signature in their energy distribution. This allows us to infer the thermodynamic properties of the electrons the CMB photons encountered en route to our telescopes. The resulting signal is extremely weak, but by observing it long enough over large sky areas we can measure its sky average. This allows us to pin down the pressure and temperature the electrons have on average.


Such a measurement of the Universe’s mean climate has not been performed yet. Both the US space agency NASA and the European counterpart ESA have developed proposals to carry out the required observations, for which a space mission is necessary. Such a mission would be feasible within the next decade (and it would do some amazing science besides the Universe’s climate). In our study, we ask the simple question: if one (or both) of these missions were to be carried out, what would their measurement of the pressure and temperature imply for our understanding of AGN and supernovae?



In order to answer this question, the CAMELS suite of numerical simulations is the ideal tool. CAMELS simulates thousands of mini-universes, each with a different model for AGN and supernovae. We extract the mean electron pressure and temperature from each of these simulations and infer the relationship between the parameters describing AGN and supernovae and these “climatic” observables. This task is not as simple as it appears, due to the small volume each of the CAMELS simulations is run on. One could compare this to considering only small patches of the Earth’s surface: the conclusions we would draw on volcano eruptions would depend a lot on whether we happen to look at a tectonic fault line or some quiet spot. For this reason, there is substantial “noise” in the CAMELS simulations, depending on how many galaxies of what masses were formed in them. We solve this problem with a combination of two methods. First, we can use our existing understanding of the connection between the number of galaxies and the electron thermodynamics to compute rescaling factors – this is as if one would know the expected number of volcanoes in a given patch of the earth and compare it to the randomly realized one. Second, machine learning tools called neural networks allow us to interpolate smoothly through the noisy data.


Our results are striking. At the present moment, we are uncertain about the AGN and supernovae models in the numerical simulations by perhaps a factor of two. If we were to obtain the described measurements of the Universe’s climate, this uncertainty would go down to mere percents. This vastly increased knowledge would enable us to perform simulations that are much closer to reality than what is currently possible. More accurate simulations would be pivotal to many efforts in Cosmology, since uncertainty on small-scale processes such as AGN and supernovae is beginning to limit our ability to better understand the fundamental laws governing the evolution and composition of our Universe.


Further reading:


Post author:

Leander Thiele

Graduate Student, Princeton University

Princeton, NJ, 08544, USA




13 Comments


normami.l.e.s.940.4
3 days ago

Bài viết nhẹ nhàng mà hữu ích, cảm ơn bạn đã chia sẻ. Đoạn bạn nhắc chuyện viết vài điều biết ơn mỗi sáng đúng cái mình đang thắc mắc bấy lâu. Mình cũng hay theo dõi thống kê XSMB hằng ngày nên tự gom lại thành một trang để tra nhanh cho tiện. Ai cần xem số liệu cập nhật theo ngày thì ghé qua https://www.pinterest.com/Soicauxsmbpro/

Like

jennysilva3.2.3.12
4 days ago

UY88 dạo này thấy nhiều người nói nên mình cũng ghé thử cho biết, kiểu vào xem giao diện ra sao thôi chứ không định “nghiên cứu” gì. Ấn tượng ban đầu là trang làm khá dễ thở, các mục được chia rõ ràng nên kéo xuống một chút là biết mình đang ở phần nào, không bị lạc. Mình có đọc lướt đoạn giới thiệu thấy họ ghi nền tảng thành lập từ 2019, nghe cũng đỡ cảm giác mới toanh. Cái mình thích là cách họ trình bày thông tin theo từng khối box, chữ không dồn một cục nên nhìn nhanh vẫn hiểu ý. Nói chung cảm giác như họ ưu tiên người mới vào, không quăng…

Like

randyhillmr051996
4 days ago

https://qq88.fun/ mình lướt thấy bạn bè nhắc nên bấm vào xem thử cho biết thôi. Không có ngồi tìm hiểu sâu hay chơi gì, chủ yếu tò mò giao diện nhìn có dễ chịu không. Vào cái là thấy trang sắp xếp khá gọn, kiểu chia thành từng khối nội dung nên mắt bắt nhịp nhanh, không bị “ngợp” như mấy site hay nhồi chữ. Mình thích nhất là thanh menu để ngay chỗ dễ nhìn, bấm qua lại mấy phần không phải kéo lên kéo xuống nhiều. Mấy ô/bảng thông tin cũng canh theo cột rõ ràng, chữ không quá nhỏ nên đọc lướt ổn. Nói chung cảm giác dùng nhanh, đỡ rối, nhất là cách họ chia block…

Like

bentieshamarsh.al.2l11.1
Aug 16

Trước đây mình khá ngại cài addon Minecraft PE kèm resource pack vì sợ máy bị nặng hoặc bị lỗi xung đột, nên toàn đọc kỹ hướng dẫn rồi mới dám thử. Dần dần mình chuyển sang ưu tiên mấy shader nhẹ, hợp với thiết bị yếu, với thêm vài map mới để đổi cảm giác chơi cho đỡ nhàm. Nhờ vậy nhìn thế giới trong game có sức sống hơn hẳn. Mình thấy nhiều người trong cộng đồng hay nhắc đến các addon kiểu furniture hoặc alien invasion, rồi nhìn thêm đánh giá sao cũng giúp lọc bớt mấy thứ không đáng. Nhưng mình vẫn nghĩ đừng tin lời truyền miệng quá, tốt nhất là chọn nguồn cập nhật…

Like

bentieshamarsh.al.2l11.1
Aug 13

Mỗi lần định soi cầu xsmb, mình thường ngồi xem lại kết quả mấy kỳ gần đây trước đã, kiểu để đầu óc bớt bị cảm xúc chi phối. Từ ngày chịu khó theo dõi dự đoán xổ số miền Bắc đều đều và tự ghi lại vài thống kê tần suất, mình thấy việc chọn số có cơ sở hơn hẳn. Thỉnh thoảng mình còn vào ketqua2.net để đối chiếu lại các kỳ trước cho yên tâm, chứ không chỉ nghe người ta truyền miệng. Trong nhóm mình tham gia, nhiều người cũng khuyên nên kết hợp dữ liệu lịch sử với mấy công cụ tạo dàn số, lô xiên để nhìn ra xu hướng. Nói chung muốn dự…

Like
bottom of page