Μια από τις πιο λεπτομερείς ψηφιακές αναπαραστάσεις του νεαρού Σύμπαντος δημιούργησαν ερευνητές του Κέντρου Αστροφυσικής Harvard & Smithsonian, επιχειρώντας να φωτίσουν τα πρώτα στάδια της κοσμικής ιστορίας. Η προσομοίωση με την ονομασία «Lumina» ανασυνθέτει τις αλληλεπιδράσεις της συνηθισμένης ύλης, της σκοτεινής ύλης και της ακτινοβολίας κατά τα πρώτα δύο δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Το νέο μοντέλο, που παρουσιάστηκε στην επιστημονική επιθεώρηση Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, φιλοδοξεί να βοηθήσει τους αστρονόμους να ερμηνεύσουν τα δεδομένα από τα ισχυρότερα διαστημικά τηλεσκόπια και να ελέγξουν τις θεωρίες τους για την εξέλιξη του Σύμπαντος.
Από τις παρατηρήσεις των τηλεσκοπίων στις προσομοιώσεις υπερυπολογιστών
Συγκρίνοντας τις παρατηρήσεις από τα διαστημικά τηλεσκόπια James Webb και Nancy Roman, καθώς και από άλλα επιστημονικά όργανα, με τις προβλέψεις του Lumina, οι ερευνητές μπορούν να εξετάσουν κατά πόσο οι σημερινές θεωρίες εξηγούν όσα παρατηρούν. Τυχόν αποκλίσεις ενδέχεται να υποδείξουν ότι ορισμένες από τις υπάρχουσες αντιλήψεις για τους νόμους που διέπουν το Σύμπαν χρειάζονται επανεξέταση.
Εδώ και αιώνες, οι αστρονόμοι προσπαθούν να εξηγήσουν πώς σχηματίστηκαν τα άστρα, οι γαλαξίες και οι μεγαλύτερες κοσμικές δομές. Σήμερα, οι προσομοιώσεις σε υπερυπολογιστές επιτρέπουν τη μετατροπή των θεωρητικών μοντέλων σε συγκεκριμένες προβλέψεις, οι οποίες μπορούν να συγκριθούν με πραγματικές παρατηρήσεις. Όταν τα αποτελέσματα συμφωνούν, ενισχύεται η αξιοπιστία των θεωριών· όταν αποκλίνουν, ανοίγει ο δρόμος για νέα ερωτήματα και πιθανές ανακαλύψεις.
«Με το James Webb, το πρώιμο Σύμπαν έχει μετατραπεί σε ένα συναρπαστικό νέο πεδίο έρευνας στην αστροφυσική», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Όλιβερ Ζίερ, ερευνητής του ITC στο Κέντρο Αστροφυσικής Harvard & Smithsonian. Όπως εξήγησε, για να κατανοήσουν οι επιστήμονες τα ευρήματα του τηλεσκοπίου, πρέπει πρώτα να μετατρέψουν τις θεωρίες τους σε λεπτομερείς προβλέψεις.
Ο ίδιος χαρακτήρισε ιδιαίτερα ικανοποιητική την ολοκλήρωση της πολυετούς προσπάθειας, η οποία περιλάμβανε δυσκολίες αλλά και επιτυχίες, καθώς οι προβλέψεις της προσομοίωσης μπορούν πλέον να παρουσιαστούν και οπτικά μέσα από βίντεο.
H μοντελοποίηση
Το Lumina αποτελεί τη μεγαλύτερη κοσμολογική προσομοίωση ακτινοβολίας και υδροδυναμικής που έχει δημιουργηθεί ποτέ. Αυτός ο τύπος προσομοίωσης μοντελοποιεί τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα θεμελιώδη συστατικά του Σύμπαντος, όπως το αέριο, η σκοτεινή ύλη και το φως για να σχηματίσουν άστρα και γαλαξίες.
Το Lumina παρακολουθεί τα πρώτα 2 δισεκατομμύρια χρόνια της κοσμικής ιστορίας καταγράφοντας την εμφάνιση των πρώτων γαλαξιών και τις αλλαγές που προκάλεσαν στις τεράστιες περιοχές αερίου που τους περιβάλλουν.
Η προσομοίωση καλύπτει όγκο Διαστήματος περισσότερο από 100 φορές μεγαλύτερο από εκείνον που μοντελοποιούσαν προηγούμενες αντίστοιχες προσομοιώσεις. Είναι επίσης η πρώτη που αποτυπώνει τον επανιονισμό του ηλίου καθώς αυτός εξελισσόταν επιτρέποντας παράλληλα στις επιπτώσεις του να επηρεάζουν άμεσα την εξέλιξη του Σύμπαντος μέσα στο μοντέλο.
Η προσομοίωση περιλαμβάνει μια περιοχή που αντιστοιχεί σε έναν κύβο με πλευρά περίπου 1,5 δισεκατομμυρίων ετών φωτός, μέγεθος συγκρίσιμο με την κλίμακα του Σύμπαντος που μπορούν να παρατηρούν οι αστρονόμοι με τα ισχυρότερα σημερινά τηλεσκόπια.
«Θεωρούμε τους εαυτούς μας απίστευτα τυχερούς που μπορούμε να δημιουργούμε προσομοιώσεις όπως το Lumina. Για πρώτη φορά, μπορούμε να παρακολουθήσουμε πώς τόσο το υδρογόνο όσο και το ήλιο μετασχηματίζονταν στη μορφή που έχουν σήμερα, σε έναν τόσο τεράστιο όγκο του Σύμπαντος, διατηρώντας ταυτόχρονα επαρκή ανάλυση ώστε να μελετήσουμε τους γαλαξίες και τα άλλα φωτεινά αντικείμενα που οδηγούσαν σε αυτή τη μεταμόρφωση», δήλωσε ο Άαρον Σμιθ, επίκουρος καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ντάλας και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.
Ένας από τους ισχυρότερους υπερυπολογιστές επιστρατεύτηκε για το Lumina
Για να δημιουργήσουν το Lumina, οι ερευνητές αξιοποίησαν περισσότερες από 15.000 μονάδες επεξεργασίας γραφικών (GPU) στον Frontier, έναν από τους ταχύτερους υπερυπολογιστές παγκοσμίως, ο οποίος βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge, στο Τενεσί των ΗΠΑ.
Η τεράστια υπολογιστική ισχύς του συστήματος επέτρεψε στην ερευνητική ομάδα να προσομοιώσει ένα εξαιρετικά μεγάλο τμήμα του πρώιμου Σύμπαντος, διατηρώντας παράλληλα υψηλό επίπεδο λεπτομέρειας. Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν καλύτερα τον σχηματισμό και την εξέλιξη γαλαξιών, άστρων και μαύρων τρυπών.
Το Lumina σχεδιάστηκε ως ένα εργαλείο για τη διερεύνηση νέων θεωριών σχετικά με την εξέλιξη του Κόσμου. Στις μελλοντικές εφαρμογές του περιλαμβάνεται η μελέτη της κίνησης των αερίων ανάμεσα στους γαλαξίες, της επίδρασης της ακτινοβολίας στην κοσμική εξέλιξη, αλλά και των περιοχών όπου σχηματίζονται άστρα με έντονους ρυθμούς.
Το Κέντρο Αστροφυσικής Harvard & Smithsonian, που ανέπτυξε την προσομοίωση, αποτελεί συνεργασία του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ με το Ινστιτούτο Smithsonian. Με έδρα το Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης και ερευνητικές εγκαταστάσεις στις ΗΠΑ και σε άλλες περιοχές του κόσμου, έχει ως αποστολή τη διερεύνηση θεμελιωδών ερωτημάτων για τη φύση και την εξέλιξη του Σύμπαντος.
(Με πληροφορίες από Smithsonian)
