Siden umindelige tider har filosoffer og lærde forsøgt at bestemme, hvordan eksistensen begyndte. Med fødslen af moderne astronomi har denne tradition fortsat og givet anledning til det felt, der er kendt som kosmologi. Og ved hjælp af supercomputing er videnskabsmænd i stand til at gennemføre simuleringer, der viser, hvordan de første stjerner og galakser dannet i vores univers og udviklede sig i løbet af milliarder af år.
Indtil for nylig var den mest omfattende og komplette undersøgelse "Illustrus" -simuleringen, der så på processen med dannelse af galakse i løbet af de sidste 13 milliarder år. Forsøg på at bryde deres egen rekord, begyndte det samme team for nylig at gennemføre en simulering kendt som "Illustris, The Next Generation" eller "IllustrisTNG". Den første runde af disse fund blev for nylig frigivet, og flere forventes at følge.
Disse fund blev vist i tre artikler, der for nylig blev offentliggjort i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society. Illustris-teamet består af forskere fra Heidelberg Institut for Teoretiske Studier, Max-Planck-institutterne for astrofysik og astronomi, Massachusetts Institute of Technology, Harvard University og Center for Computational Astrophysics i New York.
Ved hjælp af Hazel Hen-supercomputeren i High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) - en af de tre tyske supercomputerfaciliteter i verdensklasse, der omfatter Gauss Center for Supercomputing (GCS) - gennemførte teamet en simulering, der vil hjælpe med at verificere og udvide på eksisterende eksperimentel viden om de tidligste stadier af universet - dvs. hvad der skete fra 300.000 år efter Big Bang til i dag.
For at skabe denne simulering kombinerede teamet ligninger (såsom teorien om generel relativitet) og data fra moderne observationer til en massiv beregningskube, der repræsenterede et stort tværsnit af universet. For nogle processer, såsom stjernedannelse og vækst af sorte huller, blev forskerne tvunget til at stole på antagelser baseret på observationer. De benyttede derefter numeriske modeller til at sætte dette simulerede univers i bevægelse.
Sammenlignet med deres tidligere simulering bestod IllustrisTNG af 3 forskellige universer i tre forskellige opløsninger - hvoraf den største målte 1 milliard lysår (300 megaparsek) på tværs. Derudover inkluderede forskerteamet en mere præcis bogføring af magnetfelter, hvilket forbedrede nøjagtigheden. I alt brugte simuleringen 24.000 kerner på Hazel Hen supercomputer i alt 35 millioner kerne-timer.
Som professor Dr. Volker Springel, professor og forsker ved Heidelberg Institut for Teoretiske Studier og hovedforsker for projektet, forklarede i en pressemeddelelse fra Gauss Center:
”Magnetfelter er interessante af forskellige årsager. Det magnetiske tryk, der udøves på kosmisk gas, kan lejlighedsvis være lig med termisk (temperatur) tryk, hvilket betyder, at hvis du forsømmer dette, vil du gå glip af disse effekter og i sidste ende kompromittere dine resultater. ”
En anden vigtig forskel var inkluderingen af opdateret sorte hulfysik baseret på nylige observationskampagner. Dette inkluderer bevis, der viser en sammenhæng mellem supermassive sorte huller (SMBH'er) og galaktisk udvikling. I det væsentlige er SMBH'er kendt for at sende en enorm mængde energi ud i form af stråling og partikelstråler, som kan have en anholdende virkning på stjernedannelse i en galakse.
Mens forskerne helt sikkert var opmærksomme på denne proces i løbet af den første simulering, tog de ikke hensyn til, hvordan den helt kan stoppe dannelse af stjerne. Ved at inkludere opdaterede data om både magnetfelter og fysik i sort hul i simuleringen, så teamet en større sammenhæng mellem dataene og observationer. De er derfor mere sikre på resultaterne og mener, at de repræsenterer den mest nøjagtige simulering til dato.
Men som Dr. Dylan Nelson - en fysiker med Max Planck Institute of Astronomy og et llustricTNG-medlem - forklarede, vil fremtidige simuleringer sandsynligvis være endnu mere nøjagtige, forudsat at fremskridt i supercomputere fortsætter:
”Øget hukommelse og behandlingsressourcer i næste generations systemer giver os mulighed for at simulere store volumener af universet med højere opløsning. Store mængder er vigtige for kosmologien, forstå universets storskala struktur og fremsætte faste forudsigelser for den næste generation af store observationsprojekter. Høj opløsning er vigtig for at forbedre vores fysiske modeller af de processer, der foregår inde i individuelle galakser i vores simulering. ”
Denne seneste simulering blev også muliggjort takket være omfattende support fra GCS-medarbejdere, der hjalp forskerteamet med spørgsmål, der var relateret til deres kodning. Det var også resultatet af en massiv samarbejdsindsats, der samlede forskere fra hele verden og parrede dem med de ressourcer, de havde brug for. Sidst, men ikke mindst, viser det, hvordan øget samarbejde mellem anvendt forskning og teoretisk forskning fører til bedre resultater.
Når vi ser fremad, håber teamet, at resultaterne af denne seneste simulering viser sig at være endnu mere nyttige end den sidste. Den originale release af Illustris-data fik over 2.000 registrerede brugere og resulterede i offentliggørelsen af 130 videnskabelige undersøgelser. I betragtning af at denne er mere nøjagtig og opdateret, forventer teamet, at det vil finde flere brugere og resultere i endnu mere banebrydende forskning.
Hvem ved? Måske en dag kan vi oprette en simulering, der fanger dannelsen og udviklingen af vores univers med fuldstændig nøjagtighed. I mellemtiden skal du huske at nyde denne video af den første Illustris Simulation, høflighed af teammedlem og MIT-fysiker Mark Vogelsberger:
