Από αμνημονεύτων χρόνων, οι φιλόσοφοι και οι μελετητές προσπάθησαν να καθορίσουν πώς ξεκίνησε η ύπαρξη. Με τη γέννηση της σύγχρονης αστρονομίας, αυτή η παράδοση συνεχίστηκε και έδωσε το πεδίο γνωστό ως κοσμολογία. Και με τη βοήθεια των υπερυπολογιστών, οι επιστήμονες είναι σε θέση να διεξάγουν προσομοιώσεις που δείχνουν πώς σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες στο Σύμπαν μας και εξελίχθηκαν μέσα σε δισεκατομμύρια χρόνια.
Μέχρι πρόσφατα, η πιο εκτεταμένη και πλήρης μελέτη ήταν η προσομοίωση "Illustrus", η οποία εξέτασε τη διαδικασία σχηματισμού γαλαξιών κατά τη διάρκεια των τελευταίων 13 δισεκατομμυρίων ετών. Επιδιώκοντας να σπάσει το δικό του ρεκόρ, η ίδια ομάδα ξεκίνησε πρόσφατα μια προσομοίωση γνωστή ως "Illustris, The Next Generation" ή "IllustrisTNG". Ο πρώτος γύρος αυτών των ευρημάτων κυκλοφόρησε πρόσφατα και αναμένεται να ακολουθήσουν πολλά ακόμη.
Αυτά τα ευρήματα εμφανίστηκαν σε τρία άρθρα που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Μηνιαίες ειδοποιήσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας. Η ομάδα του Illustris αποτελείται από ερευνητές από το Ινστιτούτο Θεωρητικών Μελετών της Χαϊδελβέργης, τα Ινστιτούτα Max-Planck για την Αστροφυσική και την Αστρονομία, το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και το Κέντρο Υπολογιστικής Αστροφυσικής στη Νέα Υόρκη.
Χρησιμοποιώντας τον υπερυπολογιστή Hazel Hen στο High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) - μία από τις τρεις γερμανικές εγκαταστάσεις υπερυπολογιστών παγκόσμιας κλάσης που περιλαμβάνουν το Gauss Center for Supercomputing (GCS) - η ομάδα διεξήγαγε μια προσομοίωση που θα βοηθήσει στην επαλήθευση και την επέκταση σχετικά με τις υπάρχουσες πειραματικές γνώσεις σχετικά με τα πρώτα στάδια του Σύμπαντος - δηλαδή αυτό που συνέβη από 300.000 χρόνια μετά το Big Bang έως σήμερα.
Για να δημιουργήσει αυτήν την προσομοίωση, η ομάδα συνδύασε εξισώσεις (όπως η Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας) και δεδομένα από τις σύγχρονες παρατηρήσεις σε έναν τεράστιο υπολογιστικό κύβο που αντιπροσώπευε μια μεγάλη διατομή του Σύμπαντος. Για ορισμένες διαδικασίες, όπως ο σχηματισμός αστεριών και η ανάπτυξη μαύρων οπών, οι ερευνητές αναγκάστηκαν να βασίζονται σε υποθέσεις που βασίζονται σε παρατηρήσεις. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν αριθμητικά μοντέλα για να θέσουν σε κίνηση αυτό το προσομοιωμένο Σύμπαν.
Σε σύγκριση με την προηγούμενη προσομοίωσή τους, το IllustrisTNG αποτελούνταν από 3 διαφορετικά σύμπαντα σε τρεις διαφορετικές αναλύσεις - η μεγαλύτερη εκ των οποίων μετρήθηκε 1 δισεκατομμύριο έτη φωτός (300 megaparsecs). Επιπλέον, η ερευνητική ομάδα περιλάμβανε ακριβέστερη λογιστική για μαγνητικά πεδία, βελτιώνοντας έτσι την ακρίβεια. Συνολικά, η προσομοίωση χρησιμοποίησε 24.000 πυρήνες στον υπερυπολογιστή Hazel Hen για συνολικά 35 εκατομμύρια βασικές ώρες.
Όπως εξήγησε ο καθηγητής Dr. Volker Springel, καθηγητής και ερευνητής στο Ινστιτούτο Θεωρητικών Μελετών της Χαϊδελβέργης και κύριος ερευνητής του έργου, σε ένα δελτίο τύπου του Gauss Center:
«Τα μαγνητικά πεδία είναι ενδιαφέροντα για διάφορους λόγους. Η μαγνητική πίεση που ασκείται στο κοσμικό αέριο μπορεί περιστασιακά να είναι ίση με τη θερμική (θερμοκρασία) πίεση, πράγμα που σημαίνει ότι εάν το αγνοήσετε αυτό, θα χάσετε αυτά τα αποτελέσματα και τελικά θα θέσετε σε κίνδυνο τα αποτελέσματά σας. "
Μια άλλη σημαντική διαφορά ήταν η συμπερίληψη της ενημερωμένης φυσικής των μαύρων οπών με βάση τις πρόσφατες εκστρατείες παρατήρησης. Αυτό περιλαμβάνει στοιχεία που καταδεικνύουν συσχέτιση μεταξύ υπερμεγέθων μαύρων οπών (SMBHs) και γαλαξιακής εξέλιξης. Στην ουσία, οι SMBHs είναι γνωστό ότι εκπέμπουν τεράστια ποσότητα ενέργειας με τη μορφή ακτινοβολίας και αεριωθούμενων σωματιδίων, τα οποία μπορούν να έχουν ανασταλτική επίδραση στο σχηματισμό αστεριών σε έναν γαλαξία.
Ενώ οι ερευνητές γνώριζαν σίγουρα αυτήν τη διαδικασία κατά την πρώτη προσομοίωση, δεν έλαβαν υπόψη τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να συλλάβει εντελώς τον σχηματισμό αστεριών. Συμπεριλαμβάνοντας ενημερωμένα δεδομένα τόσο για τα μαγνητικά πεδία όσο και για τη φυσική των μαύρων οπών στην προσομοίωση, η ομάδα διαπίστωσε μεγαλύτερη συσχέτιση μεταξύ των δεδομένων και των παρατηρήσεων. Επομένως, είναι πιο σίγουροι για τα αποτελέσματα και πιστεύουν ότι αντιπροσωπεύει την πιο ακριβή προσομοίωση μέχρι σήμερα.
Αλλά όπως εξήγησε ο Δρ Dylan Nelson - φυσικός με το Ινστιτούτο Αστρονομίας Max Planck και μέλος του LustricTNG, οι μελλοντικές προσομοιώσεις είναι πιθανό να είναι ακόμη πιο ακριβείς, υποθέτοντας ότι οι προόδους στους υπερυπολογιστές συνεχίζονται:
«Η αυξημένη μνήμη και οι πόροι επεξεργασίας σε συστήματα επόμενης γενιάς θα μας επιτρέψουν να προσομοιώσουμε μεγάλους όγκους του σύμπαντος με υψηλότερη ανάλυση. Οι μεγάλοι όγκοι είναι σημαντικοί για την κοσμολογία, για την κατανόηση της μεγάλης κλίμακας δομής του σύμπαντος και για την πραγματοποίηση σταθερών προβλέψεων για την επόμενη γενιά μεγάλων έργων παρατήρησης. Η υψηλή ανάλυση είναι σημαντική για τη βελτίωση των φυσικών μοντέλων των διαδικασιών που συμβαίνουν στο εσωτερικό των μεμονωμένων γαλαξιών στην προσομοίωσή μας. "
Αυτή η τελευταία προσομοίωση έγινε επίσης δυνατή χάρη στην εκτενή υποστήριξη του προσωπικού της GCS, το οποίο βοήθησε την ερευνητική ομάδα σε θέματα που σχετίζονται με την κωδικοποίησή τους. Ήταν επίσης το αποτέλεσμα μιας μαζικής συλλογικής προσπάθειας που συγκέντρωσε ερευνητές από όλο τον κόσμο και τους συνέδεσε με τους πόρους που χρειάζονταν. Τελευταίο, αλλά όχι λιγότερο σημαντικό, δείχνει πώς η αυξημένη συνεργασία μεταξύ εφαρμοσμένης έρευνας και θεωρητικής έρευνας οδηγεί σε καλύτερα αποτελέσματα.
Κοιτώντας μπροστά, η ομάδα ελπίζει ότι τα αποτελέσματα αυτής της τελευταίας προσομοίωσης θα αποδειχθούν ακόμη πιο χρήσιμα από την τελευταία. Η αρχική έκδοση δεδομένων Illustris κέρδισε περισσότερους από 2.000 εγγεγραμμένους χρήστες και είχε ως αποτέλεσμα τη δημοσίευση 130 επιστημονικών μελετών. Δεδομένου ότι αυτό είναι πιο ακριβές και ενημερωμένο, η ομάδα αναμένει ότι θα βρει περισσότερους χρήστες και θα οδηγήσει σε ακόμη πιο πρωτοποριακή έρευνα.
Ποιός ξέρει? Ίσως κάποια μέρα, μπορεί να δημιουργήσουμε μια προσομοίωση που καταγράφει το σχηματισμό και την εξέλιξη του Σύμπαντός μας με απόλυτη ακρίβεια. Εν τω μεταξύ, φροντίστε να απολαύσετε αυτό το βίντεο της πρώτης προσομοίωσης Illustris, με ευγένεια του μέλους της ομάδας και του φυσικού MIT Mark Vogelsberger:
