Sedan urminnes tider har filosofer och forskare försökt fastställa hur tillvaron började. Med födelsen av modern astronomi har denna tradition fortsatt och gett upphov till det område som kallas kosmologi. Och med hjälp av superdatorer kan forskare genomföra simuleringar som visar hur de första stjärnorna och galaxerna bildades i vårt universum och utvecklades under loppet av miljarder år.
Tills nyligen var den mest omfattande och kompletta studien ' Illustrus ”-simulering, som tittade på processen för galaxbildning under de senaste 13 miljarder åren. För att slå sitt eget rekord började samma lag nyligen dirigera en simulering känd som ' Illustris, nästa generation ' eller 'IllustrisTNG'. Den första omgången av dessa fynd var nyligen släppt , och flera till förväntas följa efter.
Dessa resultat dök upp i tre artiklar som nyligen publicerats iMånatliga meddelanden från Royal Astronomical Society. Illustris-teamet består av forskare från Heidelberginstitutet för teoretiska studier , den Max-Planck Institutes for Astrophysics and for Astronomy , den Massachusetts Institute of Technology , Harvard University och Centrum för beräkningsastrofysik i New York.
Den här illustrationen visar universums utveckling, från Big Bang till vänster till modern tid till höger. Bild: NASA
Använder Hazel Hen superdatorn på Högpresterande datorcenter Stuttgart (HLRS) – en av de tre tyska superdatoranläggningarna i världsklass som omfattar Gauss Center for Supercomputing (GCS) – laget genomförde en simulering som kommer att hjälpa till att verifiera och utöka befintlig experimentell kunskap om de tidigaste stadierna av universum – det vill säga vad som hände från 300 000 år efter Big Bang till idag.
För att skapa denna simulering kombinerade teamet ekvationer (som Allmän relativitetsteori ) och data från moderna observationer till en massiv beräkningskub som representerade ett stort tvärsnitt av universum. För vissa processer, som stjärnbildning och tillväxten av svarta hål, tvingades forskarna förlita sig på antaganden baserade på observationer. De använde sedan numeriska modeller för att sätta detta simulerade universum i rörelse.
Jämfört med deras tidigare simulering, bestod IllustrisTNG av 3 olika universum med tre olika upplösningar – den största av dem mätte 1 miljard ljusår (300 megaparsecs) tvärs över. Dessutom inkluderade forskargruppen mer exakt redovisning av magnetfält, vilket förbättrade noggrannheten. Totalt använde simuleringen 24 000 kärnor på Hazel Hens superdator för totalt 35 miljoner kärntimmar.
Som prof. Dr. Volker Springel, professor och forskare vid Heidelberginstitutet för teoretiska studier och huvudforskare i projektet, förklarade i ett Gauss-center pressmeddelande :
'Magnetiska fält är intressanta av olika anledningar. Det magnetiska trycket som utövas på kosmisk gas kan ibland vara lika med termiskt (temperatur) tryck, vilket innebär att om du försummar detta kommer du att missa dessa effekter och i slutändan äventyra dina resultat.'
Illustris simuleringsöversiktsaffisch. Visar storskaliga mörk materia och gasdensitetsfält i projektion (överst/botten). Kredit: Illustris Project
En annan stor skillnad var inkluderingen av uppdaterad svarta håls fysik baserat på senaste observationskampanjer. Detta inkluderar bevis som visar en korrelation mellan supermassiva svarta hål (SMBH) och galaktisk evolution. I huvudsak är SMBH:er kända för att skicka ut en enorm mängd energi i form av strålning och partikelstrålar, som kan ha en stoppande effekt på stjärnbildning i en galax.
Även om forskarna verkligen var medvetna om denna process under den första simuleringen, tog de inte hänsyn till hur det kan stoppa stjärnbildningen helt. Genom att inkludera uppdaterade data om både magnetfält och svarta håls fysik i simuleringen såg teamet en större korrelation mellan data och observationer. De är därför mer säkra på resultaten och tror att det representerar den mest exakta simuleringen hittills.
Men som Dr. Dylan Nelson – en fysiker vid Max Planck Institute of Astronomy och en llustricTNG-medlem – förklarade , framtida simuleringar kommer sannolikt att bli ännu mer exakta, förutsatt att framstegen inom superdatorer fortsätter:
'Ökat minne och bearbetningsresurser i nästa generationssystem kommer att göra det möjligt för oss att simulera stora volymer av universum med högre upplösning. Stora volymer är viktiga för kosmologin, förståelsen av universums storskaliga struktur och göra fasta förutsägelser för nästa generation av stora observationsprojekt. Hög upplösning är viktig för att förbättra våra fysiska modeller av de processer som pågår inuti enskilda galaxer i vår simulering.”
Gasdensitet (vänster) och magnetfältstyrka (höger) centrerade på den mest massiva galaxhopen. Kredit: Illustris Team
Den senaste simuleringen möjliggjordes också tack vare omfattande stöd från GCS-personalen, som hjälpte forskargruppen med frågor relaterade till deras kodning. Det var också resultatet av ett massivt samarbete som samlade forskare från hela världen och parade dem med de resurser de behövde. Sist men inte minst visar den hur ökat samarbete mellan tillämpad forskning och teoretisk forskning leder till bättre resultat.
När vi blickar framåt hoppas teamet att resultaten av denna senaste simulering visar sig vara ännu mer användbara än den förra. Den ursprungliga Illustris-datareleasen fick över 2 000 registrerade användare och resulterade i publiceringen av 130 vetenskapliga studier. Med tanke på att den här är mer exakt och uppdaterad, förväntar sig teamet att den kommer att hitta fler användare och resultera i ännu mer banbrytande forskning.
Vem vet? En dag kanske vi kan skapa en simulering som fångar bildningen och utvecklingen av vårt universum med fullständig noggrannhet. Under tiden, se till att njuta av den här videon av den första Illustris-simuleringen, med tillstånd av teammedlemmen och MIT-fysikern Mark Vogelsberger: