Naukowcy stworzyli wirtualny wszechświat. Największa symulacja w historii - Geekweek Interia

Projekt o nazwie Lumina, opisany na łamach czasopisma „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”, otwiera nowe możliwości badawcze dla astronomów. Symulacja pozwala zbadać okres, gdy wszechświat wychodził z tzw. wieków ciemnych, a pierwsze gwiazdy i galaktyki zaczynały rozświetlać przestrzeń.

Model obejmuje obszar o szerokości około 1,6 mld lat świetlnych (500 megaparseków) i śledzi ewolucję materii na przestrzeni 2 mld lat, czyli na długo przed powstaniem naszego Układu Słonecznego.

Rejonizacja wodoru i helu

Historia odtworzona przez badaczy sięga czasów po Wielkim Wybuchu, gdy gorąca i gęsta pierwotna plazma zaczęła się rozszerzać i stygnąć. Około 380 tys. lat po tym wydarzeniu cząstki zwolniły na tyle, że elektrony połączyły się z jądrami atomowymi, tworząc obojętny elektrycznie wodór.

Wszechświat wszedł wtedy w kosmiczne „wieki ciemne”. Nie istniały jeszcze gwiazdy mogące go oświetlić, a neutralny wodór wypełniający przestrzeń pochłaniał promieniowanie, w tym światło ultrafioletowe, które miało pojawić się później.

Lumina pozwala śledzić, jak to wczesne środowisko ulegało przemianom, prowadząc do powstania struktur kończących okres ciemności. Model równocześnie analizuje zachowanie ciemnej materii, gazu, gwiazd i promieniowania, dzięki czemu po raz pierwszy udało się uchwycić dwa przełomowe procesy naraz: rejonizację wodoru i rejonizację helu.

Pierwszy z nich zachodził pod wpływem promieniowania ultrafioletowego emitowanego przez pierwsze gwiazdy i galaktyki, które wybijało elektrony z atomów wodoru. W efekcie kosmos stawał się coraz bardziej przezroczysty dla światła.

Do rejonizacji helu potrzebne było jednak znacznie bardziej energetyczne promieniowanie niż to pochodzące ze zwykłych gwiazd. Wyniki symulacji wskazują, że za ten proces odpowiadały przede wszystkim aktywnie żerujące supermasywne czarne dziury.

Technologia i moc obliczeniowa

Nazwa projektu „Lumina” wywodzi się od łacińskiego słowa oznaczającego „światła” (l.mn. rzeczownika „lumen”), a jego technologia bazuje na wcześniejszej symulacji IllustrisTNG, również współtworzonej przez zespół z MIT.

Aby stworzyć Luminę, naukowcy zmodyfikowali dotychczasowe oprogramowanie, dodając m.in. model transportu promieniowania. Pozwala on dokładnie obliczać, jak światło - w tym promieniowanie ultrafioletowe - przemieszcza się przez przestrzeń kosmiczną i oddziałuje z otaczającą materią.

Powstały w ten sposób wirtualny model składa się z około pół biliona pojedynczych elementów, takich jak cząstki ciemnej materii czy komórki reprezentujące gaz. Symulacja oferuje około 30 razy wyższą rozdzielczość niż IllustrisTNG, obejmując przy tym obszar stukrotnie większy objętościowo niż wcześniejsze czołowe projekty.

Przeprowadzenie tak złożonych obliczeń wymagało użycia maszyny „Frontier” z Oak Ridge National Laboratory w Tennessee, należącej do najpotężniejszych superkomputerów na świecie. Dzięki tym zasobom zespół zdołał zrekonstruować miliardy lat kosmicznych interakcji w niespotykanej dotąd szczegółowości.

Jak dodaje badacz, sprawne komunikowanie się tak ogromnej liczby procesorów podczas ciągłego przetwarzania bilionów wzajemnie oddziałujących informacji stanowi samo w sobie wyjątkowe osiągnięcie inżynierii komputerowej.

Od wielkich struktur do narodzin galaktyki

Symulacja rozpoczyna się około 45 mln lat po Wielkim Wybuchu, w epoce zdominowanej przez neutralny wodór. Naukowcy wprowadzili do programu warunki początkowe oparte na aktualnej wiedzy o tamtym okresie, a następnie pozwolili algorytmom obliczać wzajemne oddziaływania gazu, ciemnej materii i pojawiającego się promieniowania.

Efektem jest wirtualny wszechświat, który można badać w skrajnie różnych skalach - od wielkoskalowego rozmieszczenia materii, po narodziny pojedynczej galaktyki.

„Z jednej strony modeluje ona ewolucję ciemnej materii i gazu we wszechświecie, a z drugiej śledzi także sposób rozchodzenia się promieniowania” - tłumaczy główny autor badania, Oliver Zier.

Astrofizyk obliczeniowy opisuje, że przy zbliżeniu widać, jak gaz opada na skupiska ciemnej materii, gdzie formują się pierwsze galaktyki i gwiazdy. Następnie symulacja pozwala oddalić widok i obserwować, jak wytworzone przez nie promieniowanie rozchodzi się w przestrzeni, jonizując neutralny wodór.

Zespół opublikował na stronie projektu nagrania wideo prezentujące to płynne przejście od całego badanego obszaru aż do wnętrza pojedynczej galaktyki dyskowej i ewolucję procesu rejonizacji.

„Inne symulacje nie potrafią dokonać aż takiego zbliżenia” - chwali się Vogelsberger, dodając, że różnica między najmniejszą a największą symulowaną skalą jest tu większa niż w jakimkolwiek wcześniejszym projekcie.

Jednocześnie ogromna rozpiętość modelu sprawia, że generuje on niezwykle liczne populacje wirtualnych galaktyk. Dzięki tej niezrównanej objętości naukowcy będą mogli porównywać wyniki z wielkimi zbiorami danych z nadchodzących przeglądów nieba.

Przyszłość badań

W przyszłości zespół planuje wykorzystać Luminę m.in. do badania wielkoskalowego układu materii we wczesnym wszechświecie i przewidywania wzorców fal grawitacyjnych generowanych przez dawne galaktyki i czarne dziury.

Badacze udostępniają teraz dane z projektu innym astronomom, co pozwoli bezpośrednio porównywać teoretyczne przewidywania z obserwacjami prowadzonymi przez obecne i przyszłe teleskopy.

W realizacji projektu, wspieranego częściowo przez NASA i National Science Foundation, uczestniczyli także specjaliści z Uniwersytetu Teksańskiego w Dallas, kanadyjskiego York University oraz niemieckiego Instytutu Astrofizyki Maxa Plancka.