Od niepamiętnych czasów filozofowie i uczeni starali się ustalić, jak rozpoczęła się egzystencja. Wraz z narodzinami współczesnej astronomii tradycja ta trwa i zapoczątkowała dziedzinę zwaną kosmologią. Za pomocą superkomputerów naukowcy są w stanie przeprowadzić symulacje pokazujące, w jaki sposób pierwsze gwiazdy i galaktyki powstały w naszym Wszechświecie i ewoluowały w ciągu miliardów lat.
Do niedawna najbardziej obszernym i kompletnym badaniem była symulacja „Illustrus”, która analizowała proces powstawania galaktyk w ciągu ostatnich 13 miliardów lat. Starając się pobić własny rekord, ten sam zespół niedawno rozpoczął symulację znaną jako „Illustris, The Next Generation” lub „IllustrisTNG”. Pierwsza runda tych odkryć została niedawno opublikowana, a oczekuje się, że pojawi się kilka kolejnych.
Odkrycia te pojawiły się w trzech artykułach opublikowanych niedawno w Internecie Miesięczne zawiadomienia Royal Astronomical Society. Zespół Illustris składa się z naukowców z Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Max-Planck Institutes for Astrophysics and Astronomy, Massachusetts Institute of Technology, Harvard University oraz Center for Computational Astrophysics w Nowym Jorku.
Korzystając z superkomputera Hazel Hen w High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) - jednym z trzech światowej klasy niemieckich obiektów superkomputerowych, które obejmują Gauss Center for Supercomputing (GCS) - zespół przeprowadził symulację, która pomoże zweryfikować i rozwinąć na temat istniejącej wiedzy eksperymentalnej o najwcześniejszych stadiach Wszechświata - tj. co wydarzyło się od 300 000 lat po Wielkim Wybuchu do dnia dzisiejszego.
Aby stworzyć tę symulację, zespół połączył równania (takie jak teoria ogólnej teorii względności) i dane z współczesnych obserwacji w potężną kostkę obliczeniową reprezentującą duży przekrój Wszechświata. W przypadku niektórych procesów, takich jak tworzenie gwiazd i wzrost czarnych dziur, badacze byli zmuszeni polegać na założeniach opartych na obserwacjach. Następnie zastosowali modele numeryczne, aby uruchomić ten symulowany Wszechświat.
W porównaniu do poprzedniej symulacji IllustrisTNG składał się z 3 różnych wszechświatów w trzech różnych rozdzielczościach - z których największa mierzyła 1 miliard lat świetlnych (300 megaparsesek). Ponadto zespół badawczy uwzględnił bardziej precyzyjne rozliczanie pól magnetycznych, co poprawia dokładność. W sumie w symulacji wykorzystano 24 000 rdzeni superkomputera Hazel Hen przez 35 milionów godzin pracy.
Jak wyjaśnił prof. Dr Volker Springel, profesor i badacz z Instytutu Studiów Teoretycznych w Heidelbergu i główny badacz projektu, w komunikacie prasowym Centrum Gaussa:
„Pola magnetyczne są interesujące z różnych powodów. Ciśnienie magnetyczne wywierane na kosmiczny gaz może czasami być równe ciśnieniu termicznemu (temperaturowemu), co oznacza, że jeśli go zaniedbasz, przegapisz te efekty i ostatecznie pogorszysz wyniki. ”
Inną ważną różnicą było uwzględnienie zaktualizowanej fizyki czarnej dziury w oparciu o ostatnie kampanie obserwacyjne. Obejmuje to dowody wykazujące korelację między supermasywnymi czarnymi dziurami (SMBH) a ewolucją galaktyczną. Zasadniczo wiadomo, że SMBH wysyłają ogromną ilość energii w postaci promieniowania i dżetów cząstek, które mogą hamować tworzenie gwiazd w galaktyce.
Chociaż naukowcy z pewnością byli świadomi tego procesu podczas pierwszej symulacji, nie wzięli pod uwagę, w jaki sposób może on całkowicie zatrzymać tworzenie gwiazd. Uwzględniając w symulacji zaktualizowane dane dotyczące zarówno pól magnetycznych, jak i fizyki czarnych dziur, zespół dostrzegł większą korelację między danymi a obserwacjami. Dlatego są bardziej pewni wyników i wierzą, że stanowi to najbardziej dokładną jak dotąd symulację.
Ale jak wyjaśnił dr Dylan Nelson - fizyk z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka i llustriczny członek TNG - przyszłe symulacje będą prawdopodobnie jeszcze bardziej dokładne, zakładając, że postępy w superkomputerach będą kontynuowane:
„Zwiększona pamięć i zasoby przetwarzania w systemach nowej generacji pozwolą nam symulować duże objętości wszechświata o wyższej rozdzielczości. Duże objętości są ważne dla kosmologii, rozumienia wielkoskalowej struktury wszechświata i dokonywania twardych prognoz na następną generację dużych projektów obserwacyjnych. Wysoka rozdzielczość jest ważna dla poprawy naszych fizycznych modeli procesów zachodzących wewnątrz poszczególnych galaktyk w naszej symulacji. ”
Ta najnowsza symulacja była również możliwa dzięki szerokiemu wsparciu pracowników GCS, którzy pomagali zespołowi badawczemu w kwestiach związanych z ich kodowaniem. Był to także wynik ogromnego wysiłku, który zgromadził naukowców z całego świata i połączył ich z potrzebnymi zasobami. Wreszcie, pokazuje, jak zwiększona współpraca między badaniami stosowanymi a badaniami teoretycznymi prowadzi do lepszych wyników.
Patrząc w przyszłość, zespół ma nadzieję, że wyniki tej najnowszej symulacji okażą się jeszcze bardziej przydatne niż poprzednia. Oryginalna wersja danych Illustris zyskała ponad 2000 zarejestrowanych użytkowników i zaowocowała publikacją 130 badań naukowych. Biorąc pod uwagę, że ten jest bardziej dokładny i aktualny, zespół oczekuje, że znajdzie więcej użytkowników i doprowadzi do jeszcze bardziej przełomowych badań.
Kto wie? Być może kiedyś możemy stworzyć symulację, która z pełną dokładnością rejestruje tworzenie i ewolucję naszego Wszechświata. Tymczasem koniecznie obejrzyj film z pierwszej symulacji Illustris, dzięki uprzejmości członka zespołu i fizyka MIT, Marka Vogelsbergera:
