Siden uminnelige tider har filosofer og lærde forsøkt å bestemme hvordan eksistensen begynte. Med fødselen av moderne astronomi har denne tradisjonen fortsatt og gitt opphav til feltet kjent som kosmologi. Og ved hjelp av superdatamaskiner er forskere i stand til å gjennomføre simuleringer som viser hvordan de første stjernene og galakene dannet seg i universet vårt og utviklet seg i løpet av milliarder av år.
Inntil nylig var den mest omfattende og komplette studien "Illustrus" -simuleringen, som så på prosessen med galaksdannelse i løpet av de siste 13 milliarder årene. For å prøve å bryte sin egen rekord, begynte det samme teamet nylig å gjennomføre en simulering kjent som "Illustris, The Next Generation" eller "IllustrisTNG". Den første runden med disse funnene ble nylig utgitt, og flere forventes å følge.
Disse funnene dukket opp i tre artikler som nylig ble publisert i Månedlige merknader fra Royal Astronomical Society. Illustris-teamet består av forskere fra Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Max-Planck Institutes for Astrophysics and for Astronomy, Massachusetts Institute of Technology, Harvard University og Center for Computational Astrophysics i New York.
Ved å bruke Hazel Hen-superdatamaskinen ved High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) - en av de tre tyske superdatamaskinene i verdensklasse som består av Gauss Center for Supercomputing (GCS) - gjennomførte teamet en simulering som vil bidra til å verifisere og utvide på eksisterende eksperimentell kunnskap om de tidligste stadiene i universet - dvs. hva som skjedde fra 300 000 år etter Big Bang til i dag.
For å lage denne simuleringen kombinerte teamet ligninger (som Theory of General Relativity) og data fra moderne observasjoner til en massiv beregningskube som representerte et stort tverrsnitt av universet. For noen prosesser, for eksempel stjernedannelse og vekst av sorte hull, ble forskerne tvunget til å stole på antagelser basert på observasjoner. De benyttet seg av numeriske modeller for å sette dette simulerte universet i gang.
Sammenlignet med deres forrige simulering, besto IllustrisTNG av 3 forskjellige universer i tre forskjellige oppløsninger - hvorav den største målte 1 milliard lysår (300 megaparsek) på tvers. I tillegg inkluderte forskerteamet en mer presis regnskap for magnetfelt, og forbedret dermed nøyaktigheten. Totalt brukte simuleringen 24 000 kjerner på Hazel Hen superdatamaskin i totalt 35 millioner kjernetimer.
Som professor Dr. Volker Springel, professor og forsker ved Heidelberg Institute for Theoretical Studies og hovedetterforsker på prosjektet, forklarte i en pressemelding fra Gauss Center:
“Magnetiske felt er interessante av mange forskjellige grunner. Magnettrykket som utøves på kosmisk gass kan tidvis være lik termisk trykk (temperatur), noe som betyr at hvis du forsømmer dette, vil du savne disse effektene og til slutt kompromittere resultatene. "
En annen stor forskjell var inkluderingen av oppdatert svart hullfysikk basert på nylige observasjonskampanjer. Dette inkluderer bevis som viser en sammenheng mellom supermassive sorte hull (SMBH) og galaktisk evolusjon. I hovedsak er SMBH-er kjent for å sende ut en enorm mengde energi i form av stråling og partikkelstråler, noe som kan ha en stoppende effekt på stjernedannelse i en galakse.
Mens forskerne absolutt var klar over denne prosessen i løpet av den første simuleringen, hadde de ikke noen faktor i hvordan den kan stoppe stjernedannelse fullstendig. Ved å inkludere oppdaterte data om både magnetfelt og svart hullfysikk i simuleringen, så teamet en større sammenheng mellom dataene og observasjonene. De er derfor mer sikre på resultatene og mener det representerer den mest nøyaktige simuleringen til dags dato.
Men som Dr. Dylan Nelson - en fysiker med Max Planck Institute of Astronomy og et llustricTNG-medlem - forklarte, vil fremtidige simuleringer sannsynligvis være enda mer nøyaktige, forutsatt at fremskritt i superdatamaskiner fortsetter:
"Økt minne- og prosesseringsressurser i neste generasjons systemer vil tillate oss å simulere store volumer av universet med høyere oppløsning. Store volumer er viktige for kosmologien, for å forstå universets storskala struktur og komme med faste spådommer for neste generasjon av store observasjonsprosjekter. Høy oppløsning er viktig for å forbedre våre fysiske modeller av prosessene som foregår på innsiden av individuelle galakser i vår simulering. ”
Denne siste simuleringen ble også muliggjort takket være omfattende støtte gitt av GCS-staben, som hjalp forskerteamet med spørsmål knyttet til kodingen deres. Det var også resultatet av en massiv samarbeidsinnsats som samlet forskere fra hele verden og paret dem med ressursene de trengte. Sist, men ikke minst, viser det hvordan økt samarbeid mellom anvendt forskning og teoretisk forskning fører til bedre resultater.
Når vi ser fremover, håper teamet at resultatene av denne siste simuleringen viser seg å være enda mer nyttige enn sist. Den originale Illustris-datautgivelsen fikk over 2000 registrerte brukere og resulterte i publisering av 130 vitenskapelige studier. Gitt at denne er mer nøyaktig og oppdatert, forventer teamet at den vil finne flere brukere og resultere i enda mer banebrytende forskning.
Hvem vet? Kanskje en dag kan vi lage en simulering som fanger dannelsen og utviklingen av universet vårt med fullstendig nøyaktighet. Husk i mellomtiden å glede deg over denne videoen av den første Illustris Simulation, med tillatelse av teammedlem og MIT-fysiker Mark Vogelsberger:
