Din vremuri imemoriale, filozofii și savanții au căutat să stabilească modul în care a început existența. Odată cu nașterea astronomiei moderne, această tradiție a continuat și a dat naștere domeniului cunoscut sub numele de cosmologie. Și cu ajutorul supercomputării, oamenii de știință sunt capabili să efectueze simulări care arată cum primele stele și galaxii s-au format în Universul nostru și au evoluat de-a lungul a miliarde de ani.
Până de curând, cel mai amplu și complet studiu a fost simularea „Illustrus”, care a analizat procesul formării galaxiilor în ultimii 13 miliarde de ani. Căutând să-și bată propriul record, aceeași echipă a început recent să efectueze o simulare cunoscută sub numele de „Illustris, The Next Generation” sau „IllustrisTNG”. Prima rundă a acestor descoperiri a fost publicată recent, iar alte câteva sunt de așteptat să urmeze.
Aceste descoperiri au apărut în trei articole publicate recent în Avize lunare ale Royal Astronomical Society. Echipa Illustris este formată din cercetători de la Institutul de Studii Teoretice Heidelberg, Institutele Max-Planck pentru Astrofizică și Astronomie, Institutul de Tehnologie din Massachusetts, Universitatea Harvard și Centrul pentru Astrofizică Calculațională din New York.
Utilizarea supercomputerului Hazel Hen de la Centrul de calcul de înaltă performanță din Stuttgart (HLRS) - una dintre cele trei facilități de supercomputare germane de clasă mondială care cuprind Centrul Gauss pentru Supercomputing (GCS) - echipa a realizat o simulare care va ajuta la verificarea și extinderea cu privire la cunoștințele experimentale existente despre primele etape ale Universului - adică ce s-a întâmplat de la 300.000 de ani de la Big Bang până în zilele noastre.
Pentru a crea această simulare, echipa a combinat ecuații (cum ar fi teoria relativității generale) și date din observații moderne într-un cub de calcul masiv care a reprezentat o secțiune mare a Universului. Pentru unele procese, cum ar fi formarea stelelor și creșterea găurilor negre, cercetătorii au fost obligați să se bazeze pe presupuneri bazate pe observații. Apoi au folosit modele numerice pentru a pune în mișcare acest Univers simulat.
Comparativ cu simularea lor anterioară, IllustrisTNG a fost format din 3 universuri diferite la trei rezoluții diferite - cea mai mare dintre acestea a măsurat 1 miliard de ani-lumină (300 megaparsecuri). În plus, echipa de cercetare a inclus contabilitate mai precisă pentru câmpurile magnetice, îmbunătățind astfel precizia. În total, simularea a folosit 24.000 de nuclee pe supercomputerul Hazel Hen pentru un număr total de 35 de milioane de ore.
După cum a explicat prof. Dr. Volker Springel, profesor și cercetător la Institutul de Studii Teoretice Heidelberg și investigator principal al proiectului, într-un comunicat de presă al Centrului Gauss:
„Câmpurile magnetice sunt interesante din mai multe motive. Presiunea magnetică exercitată asupra gazului cosmic poate fi uneori egală cu presiunea termică (temperatură), ceea ce înseamnă că, dacă neglijați acest lucru, veți rata aceste efecte și vă va compromite rezultatele. ”
O altă diferență majoră a fost includerea fizicii actualizate a găurilor negre bazate pe campanii recente de observare. Aceasta include dovezi care demonstrează o corelație între găurile negre supermasive (SMBHs) și evoluția galactică. În esență, se știe că SMBH-urile transmit o cantitate extraordinară de energie sub formă de radiații și jeturi de particule, ceea ce poate avea un efect de arestare asupra formării stelelor într-o galaxie.
Deși cercetătorii au fost cu siguranță conștienți de acest proces în timpul primei simulări, nu au avut în vedere modul în care acesta poate aresta complet formarea stelelor. Prin includerea datelor actualizate atât pe câmpurile magnetice, cât și în fizica găurilor negre în simulare, echipa a văzut o corelație mai mare între date și observații. Prin urmare, sunt mai încrezători cu rezultatele și cred că reprezintă cea mai precisă simulare până în prezent.
Dar, după cum a explicat dr. Dylan Nelson - fizician la Max Planck Institute of Astronomy și membru llustricTNG -, viitoarele simulări vor fi probabil și mai precise, presupunând că progresele în supercomputere continuă:
„Creșterea resurselor de memorie și procesare în sistemele de generație viitoare ne va permite să simulăm volume mari ale universului cu rezoluție mai mare. Volumele mari sunt importante pentru cosmologie, pentru a înțelege structura pe scară largă a universului și pentru a face predicții ferme pentru următoarea generație de proiecte mari de observație. Rezoluția înaltă este importantă pentru îmbunătățirea modelelor noastre fizice ale proceselor care se desfășoară în interiorul galaxiilor individuale în simularea noastră. ”
Această ultimă simulare a fost posibilă și datorită sprijinului extins oferit de personalul GCS, care a asistat echipa de cercetare cu probleme legate de codarea acestora. De asemenea, a fost rezultatul unui efort colaborativ masiv care a reunit cercetători din întreaga lume și i-a asociat cu resursele de care aveau nevoie. Ultimul, dar nu în ultimul rând, arată cum colaborarea crescută între cercetarea aplicată și cercetarea teoretică duce la rezultate mai bune.
Privind în viitor, echipa speră că rezultatele acestei ultime simulări se vor dovedi chiar mai utile decât ultima. Comunicatul original de date Illustris a obținut peste 2.000 de utilizatori înregistrați și a dus la publicarea a 130 de studii științifice. Având în vedere că acesta este mai precis și actualizat, echipa se așteaptă să găsească mai mulți utilizatori și să conducă la cercetări și mai noi.
Cine știe? Poate într-o zi, putem crea o simulare care surprinde formarea și evoluția Universului nostru cu o acuratețe completă. Între timp, asigurați-vă că vă puteți bucura de acest videoclip al primei simulări Illustris, cu amabilitatea membrului echipei și a fizicianului MIT, Mark Vogelsberger:
