Sedan tidiga tider har filosofer och forskare försökt bestämma hur existensen började. Med modern astronomis födelse har denna tradition fortsatt och gett upphov till det fält som kallas kosmologi. Och med hjälp av superdator kan forskare genomföra simuleringar som visar hur de första stjärnorna och galaxerna bildades i vårt universum och utvecklats under miljarder år.
Fram till nyligen var den mest omfattande och fullständiga studien "Illustrus" -simuleringen, som tittade på galaxbildningen under de senaste 13 miljarder åren. För att försöka bryta sitt eget rekord började samma team nyligen genomföra en simulering känd som "Illustris, The Next Generation" eller "IllustrisTNG". Den första omgången av dessa resultat släpptes nyligen, och flera fler förväntas följa.
Dessa resultat uppträdde i tre artiklar som nyligen publicerats i Månadsmeddelanden från Royal Astronomical Society. Illustris-teamet består av forskare från Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Max-Planck Institute for Astrophysics and for Astronomy, Massachusetts Institute of Technology, Harvard University och Center for Computational Astrophysics i New York.
Med hjälp av Hazel Hen-superdatorn på High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) - en av de tre tyska superdatorerna i världsklass som består av Gauss Center for Supercomputing (GCS) - genomförde teamet en simulering som hjälper till att verifiera och utvidga på befintlig experimentell kunskap om de tidigaste stadierna i universum - det vill säga vad som hände från 300 000 år efter Big Bang till nutid.
För att skapa denna simulering kombinerade teamet ekvationer (såsom Theory of General Relativity) och data från moderna observationer till en massiv beräkningskub som representerade ett stort tvärsnitt av universum. För vissa processer, såsom stjärnbildning och tillväxten av svarta hål, tvingades forskarna att lita 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 - av vilka den största uppmättes 1 miljard ljusår (300 megaparsek) över. Dessutom inkluderade forskarteamet en mer exakt redovisning av magnetfält, vilket förbättrade noggrannheten. Totalt använde simuleringen 24 000 kärnor på Hazel Hen superdatorn under totalt 35 miljoner kärntimmar.
Som professor Dr. Volker Springel, professor och forskare vid Heidelberg Institute for Theoretical Studies och huvudforskare för projektet, förklarade i ett pressmeddelande från Gauss Center:
”Magnetfält är intressanta av olika skäl. 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. "
En annan stor skillnad var införandet av uppdaterad fysik med svarthål baserat på senaste observationskampanjer. Detta inkluderar bevis som visar en korrelation mellan supermassiva svarta hål (SMBH) och galaktisk utveckling. I själva verket är SMBH: er kända för att sända ut en enorm mängd energi i form av strålning och partikelstrålar, vilket kan ha en störande effekt på stjärnbildningen i en galax.
Medan forskarna visst var medvetna om denna process under den första simuleringen, tog de inte del i hur det kan stoppa stjärnbildningen fullständigt. Genom att inkludera uppdaterade data om både magnetfält och fysik i svart hål 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 med Max Planck Institute of Astronomy och en llustricTNG-medlem - förklarade, kommer framtida simuleringar sannolikt att bli ännu mer exakta, förutsatt att framstegen i superdatorer fortsätter:
”Ökade resurser för minne och bearbetning i nästa generations system gör att vi kan simulera stora volymer av universumet med högre upplösning. Stora volymer är viktiga för kosmologin, förstå universums storskaliga struktur och göra fasta förutsägelser för nästa generations stora observationsprojekt. Hög upplösning är viktig för att förbättra våra fysiska modeller av de processer som pågår inuti enskilda galaxer i vår simulering. ”
Denna senaste simulering möjliggjordes också tack vare omfattande stöd från GCS-personalen, som hjälpte forskarteamet med frågor som rör deras kodning. Det var också resultatet av en massiv samarbetsinsats som samlade forskare från hela världen och parade dem med de resurser de behövde. Sist men inte minst visar det hur ökat samarbete mellan tillämpad forskning och teoretisk forskning leder till bättre resultat.
Med tanke på framtiden hoppas teamet att resultaten från den senaste simuleringen visar sig vara ännu mer användbara än den senaste. Det ursprungliga Illustris-dataläget fick över 2000 registrerade användare och resulterade i publiceringen av 130 vetenskapliga studier. Med tanke på att den här är mer exakt och aktuell, förväntar sig teamet att det kommer att hitta fler användare och resultera i ännu mer banbrytande forskning.
Vem vet? Kanske en dag kan vi skapa en simulering som fångar bildandet och utvecklingen av vårt universum med fullständig noggrannhet. Under tiden, se till att njuta av den här videon från den första Illustris Simulation, med tillstånd av teammedlem och MIT-fysiker Mark Vogelsberger:
