Filosofit ja tutkijat ovat muistokaudesta lähtien pyrkineet selvittämään, miten olemassaolo alkoi. Nykyaikaisen tähtitieteen syntymän myötä tämä perinne on jatkunut ja aiheuttanut kosmologiaksi tunnetun kentän. Ja supertietokonetiedon avulla tutkijat kykenevät suorittamaan simulaatioita, jotka osoittavat, kuinka ensimmäiset tähdet ja galaksit muodostuivat universumissamme ja kehittyivät miljardien vuosien aikana.
Viime aikoihin asti laajin ja täydellisin tutkimus oli ”Illustrus” -simulaatio, jossa tarkasteltiin galaksien muodostumisprosessia viimeisen 13 miljardin vuoden aikana. Yrittäessään rikkoa omaa levyään, sama joukkue aloitti äskettäin simulaation, joka tunnetaan nimellä “Illustris, The Next Generation” tai “IllustrisTNG”. Ensimmäinen kierros havainnoista julkaistiin äskettäin, ja niiden odotetaan seuraavan seuraavia.
Nämä havainnot esiintyivät kolmessa artikkelissa, jotka on äskettäin julkaistu Kuukausittaiset ilmoitukset Royal Astronomical Society -tapahtumasta. Illustris-tiimi koostuu tutkijoista Heidelbergin teoreettisen tutkimuksen instituutista, Max-Planckin astrofysiikan ja tähtitieteen instituuteista, Massachusettsin teknillisestä instituutista, Harvardin yliopistosta ja Laskennallisen astrofysiikan keskuksesta New Yorkissa.
Hazel Hen -supertietokonetta käyttämällä Stuttgartin korkean suorituskyvyn tietojenkäsittelykeskuksessa (HLRS) - yhtenä kolmesta maailmanluokan saksalaisesta supertietokonelaitteistosta, joka koostuu Gaussin superlaskentakeskuksesta (GCS) -, joukkue toteutti simulaation, joka auttaa todentamaan ja laajentamaan olemassa olevasta kokeellisesta tiedosta maailmankaikkeuden varhaisimmista vaiheista - ts. mitä tapahtui 300 000 vuoden kuluttua Ison räjähdyksen jälkeen nykypäivään.
Tämän simulaation luomiseksi joukkue yhdisti yhtälöt (kuten yleisen suhteellisuusteorian) ja tiedot nykyaikaisista havainnoista massiiviseksi laskennalliseksi kuutioksi, joka edustaa suurta poikkileikkausta maailmankaikkeudesta. Joidenkin prosessien, kuten tähtien muodostumisen ja mustien reikien kasvun, tutkijoiden oli pakko luottaa havaintoihin perustuviin oletuksiin. Sitten he käyttivät numeerisia malleja tämän simuloidun maailmankaikkeuden liikuttamiseksi.
Edelliseen simulointiin verrattuna IllustrisTNG koostui kolmesta eri universumista kolmella erilaisella resoluutiolla - joista suurin mitattiin miljardin valovuoden (300 megaparin) läpi. Lisäksi tutkimusryhmään kuului tarkempi magneettikenttien laskenta, mikä paransi tarkkuutta. Simulaatiossa käytettiin Hazel Hen-supertietokoneessa 24 000 ydintä yhteensä 35 miljoonan ytintunnin ajan.
Kuten professori Dr. Volker Springel, Heidelbergin teoreettisen tutkimuslaitoksen tutkija ja tutkija ja hankkeen päätutkija, selitti Gauss-keskuksen lehdistötiedotteessa:
”Magneettiset kentät ovat mielenkiintoisia monista syistä. Kosmiseen kaasuun kohdistuva magneettinen paine voi joskus olla yhtä suuri kuin lämpö (paine), mikä tarkoittaa, että jos jätät tämän huomiotta, menetät nämä vaikutukset ja lopulta vaarannat tulokset. "
Toinen merkittävä ero oli päivitetyn mustan aukon fysiikan sisällyttäminen viimeaikaisiin havaintokampanjoihin. Tämä sisältää todisteita, jotka osoittavat korrelaation supermassiivisten mustien reikien (SMBH) ja galaktisen evoluution välillä. Pohjimmiltaan SMBH: n tiedetään lähettävän valtavan määrän energiaa säteilyn ja hiukkassuihkujen muodossa, jolla voi olla pysäyttävä vaikutus tähtiä muodostuessa galaksissa.
Vaikka tutkijat olivat varmasti tietoisia tästä prosessista ensimmäisen simulaation aikana, he eivät vaikuttaneet siihen, kuinka se voi pysäyttää tähden muodostumisen kokonaan. Lisäämällä simulointiin päivitetyt tiedot sekä magneettikentistä että mustien aukkojen fysiikasta, ryhmä näki paremman korrelaation tietojen ja havaintojen välillä. Siksi he ovat luottavaisempia tuloksiin ja uskovat, että se edustaa tähän mennessä tarkinta simulaatiota.
Mutta kuten tohtori Dylan Nelson - Max Planckin tähtitieteen instituutin fyysikko ja llustricTNG: n jäsen - selitti, tulevaisuuden simulaatiot ovat todennäköisesti entistä tarkempia olettaen, että supertietokoneiden kehitys jatkuu:
”Lisääntynyt muisti ja käsittelyresurssit seuraavan sukupolven järjestelmissä antavat meille mahdollisuuden simuloida suuria maailmankaikkeuden tilauksia korkeammalla resoluutiolla. Suuret tilavuudet ovat tärkeitä kosmologialle, ymmärtää maailmankaikkeuden laaja-alaista rakennetta ja antaa lujat ennusteet seuraavan sukupolven suurille havaintoprojekteille. Korkea resoluutio on tärkeä parantamalla simulaatiomme yksittäisten galaksien sisällä tapahtuvien prosessien fyysisiä malleja. "
Tämä viimeisin simulointi tehtiin mahdolliseksi myös GCS: n henkilöstön tarjoaman laajan tuen ansiosta, joka auttoi tutkimusryhmää koodaukseen liittyvissä asioissa. Se oli myös seurausta massiivisesta yhteistyöstä, joka toi yhteen tutkijoita ympäri maailmaa ja yhdisti heidät tarvittavien resurssien kanssa. Viimeisenä, mutta ei vähäisimpänä, se osoittaa, kuinka sovelletun tutkimuksen ja teoreettisen tutkimuksen lisääntynyt yhteistyö johtaa parempiin tuloksiin.
Tulevaisuuteen joukkue toivoo, että viimeisimmän simulaation tulokset osoittautuvat vielä hyödyllisemmiksi kuin viimeiset. Alkuperäinen Illustriksen tietojulkaisu sai yli 2 000 rekisteröitynyttä käyttäjää ja johti 130 tieteellisen tutkimuksen julkaisemiseen. Koska tämä on tarkempi ja ajan tasalla, työryhmä odottaa löytävänsä enemmän käyttäjiä ja johtavan vielä uraauurtavampaan tutkimukseen.
Kuka tietää? Ehkä jonain päivänä voimme luoda simulaation, joka kaappaa maailmankaikkeuden muodostumisen ja kehityksen täysin tarkkuudella. Sillä välin, nauti ehdottomasti tästä videosta ensimmäisestä Illustris-simulaatiosta, joukkueen jäsenen ja MIT-fyysikon Mark Vogelsbergerin kohteliaisuudesta:
