З незапам'ятних часів філософи та вчені намагалися визначити, як почалося існування. З народженням сучасної астрономії ця традиція продовжилася і породила галузь, відому як космологія. А за допомогою суперкомп’ютерів вчені можуть проводити моделювання, яке показує, як перші зірки і галактики сформувалися в нашому Всесвіті і розвивалися протягом мільярдів років.
Донедавна найбільш масштабним і повним дослідженням було « Illustrus ” моделювання, яке розглядало процес утворення галактик протягом останніх 13 мільярдів років. Прагнучи побити власний рекорд, ця ж команда нещодавно почала диригувати моделювання відомий як ' Illustris, наступне покоління », або «IllustrisTNG». Перший раунд цих висновків був нещодавно випущений , і очікується, що послідують ще кілька.
Ці висновки з'явилися в трьох статтях, нещодавно опублікованих вЩомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства. Команда Illustris складається з дослідників з Гейдельберзький інститут теоретичних досліджень , Інститути астрофізики та астрономії Макса-Планка , Массачусетський технологічний інститут , Гарвардський університет та Центр обчислювальної астрофізики В Нью-Йорку.
Ця ілюстрація показує еволюцію Всесвіту від Великого вибуху зліва до сучасності справа. Зображення: NASA
Використання суперкомп’ютера Hazel Hen на Високопродуктивний обчислювальний центр Штутгарта (HLRS) – один з трьох німецьких суперкомп’ютерів світового класу, які входять до складу Центр суперкомп'ютерів Гаусса (GCS) – команда провела симуляцію, яка допоможе перевірити та розширити існуючі експериментальні знання про найраніші стадії Всесвіту, тобто про те, що відбувалося від 300 000 років після Великого вибуху до наших днів.
Щоб створити це моделювання, команда об’єднала рівняння (наприклад, Загальна теорія відносності ) та дані сучасних спостережень у масивний обчислювальний куб, який представляв великий поперечний переріз Всесвіту. Для деяких процесів, таких як утворення зірок і зростання чорних дір, дослідники були змушені покладатися на припущення, засновані на спостереженнях. Потім вони використали чисельні моделі, щоб привести цей змодельований Всесвіт у рух.
Порівняно з їх попереднім моделюванням, IllustrisTNG складався з 3 різних всесвітів із трьома різними роздільними можливостями, найбільший з яких мав 1 мільярд світлових років (300 мегапарсек) у поперечнику. Крім того, дослідницька група включила більш точний облік магнітних полів, таким чином підвищивши точність. Загалом під час моделювання було використано 24 000 ядер суперкомп’ютера Hazel Hen для 35 мільйонів годин роботи ядра.
Як пояснив у Центрі Гаусса професор д-р Фолькер Шрінгель, професор і дослідник Гейдельберзького інституту теоретичних досліджень і головний дослідник проекту прес-реліз :
«Магнітні поля цікаві з багатьох причин. Магнітний тиск, який діє на космічний газ, іноді може дорівнювати тепловому (температурному) тиску, а це означає, що якщо ви нехтуєте цим, ви упустите ці ефекти і в кінцевому підсумку поставите під загрозу свої результати».
Оглядовий плакат моделювання Illustris. Показує великомасштабні поля щільності темної матерії та газу в проекції (зверху/внизу). Авторство: Проект Illustris
Ще однією важливою відмінністю було включення оновлена фізика чорної діри на основі останніх кампаній спостережень. Це включає докази, які демонструють кореляцію між надмасивними чорними дірами (СЧД) і галактичною еволюцією. По суті, SMBH, як відомо, посилають величезну кількість енергії у вигляді випромінювання та струменя частинок, які можуть мати гальмівний ефект на утворення зір в галактиці.
Хоча дослідники, безсумнівно, знали про цей процес під час першого моделювання, вони не враховували, як він може повністю зупинити утворення зір. Включивши в симуляцію оновлені дані як про магнітні поля, так і про фізику чорної діри, команда побачила більшу кореляцію між даними та спостереженнями. Тому вони більш впевнені в результатах і вважають, що це найточніше моделювання на сьогоднішній день.
Але як д-р Ділан Нельсон – фізик з Інституту астрономії Макса Планка та відомий член TNG – пояснив , майбутнє моделювання, ймовірно, буде ще більш точним, якщо припустити, що досягнення в області суперкомп'ютерів триватимуть:
«Збільшення пам’яті та ресурсів обробки в системах наступного покоління дозволить нам моделювати великі обсяги Всесвіту з більш високою роздільною здатністю. Великі обсяги є важливими для космології, розуміння великомасштабної структури Всесвіту та створення твердих прогнозів для наступного покоління великих проектів спостережень. Висока роздільна здатність важлива для покращення наших фізичних моделей процесів, що відбуваються всередині окремих галактик у нашому моделюванні».
Щільність газу (ліворуч) і напруженість магнітного поля (праворуч) з центром у найбільш масивному скупченні галактик. Авторство: Illustris Team
Це останнє моделювання також стало можливим завдяки великій підтримці, наданій співробітниками GCS, які допомагали дослідницькій групі з питань, пов’язаних з їх кодуванням. Це також стало результатом масштабних спільних зусиль, які об’єднали дослідників з усього світу та поєднали їх із необхідними ресурсами. І останнє, але не менш важливо, це показує, як посилення співпраці між прикладними та теоретичними дослідженнями призводить до кращих результатів.
Забігаючи наперед, команда сподівається, що результати цього останнього моделювання виявляться навіть кориснішими, ніж попередні. Оригінальний випуск даних Illustris набрав понад 2000 зареєстрованих користувачів і призвів до публікації 130 наукових досліджень. Враховуючи, що ця версія є більш точною та сучасною, команда очікує, що вона знайде більше користувачів і призведе до ще більш проривних досліджень.
Хто знає? Можливо, колись ми зможемо створити моделювання, яке з повною точністю відобразить формування та еволюцію нашого Всесвіту. Тим часом не забудьте насолодитися цим відео першого моделювання Illustris, люб’язно наданим членом команди та фізиком MIT Марком Фогельсбергером: