Kopš neatminamiem laikiem filozofi un zinātnieki ir centušies noteikt, kā sākusies eksistence. Ar mūsdienu astronomijas dzimšanu šī tradīcija turpinājās un radīja jomu, kas pazīstama kā kosmoloģija. Un ar superdatoru palīdzību zinātnieki spēj veikt simulācijas, kas parāda, kā pirmās zvaigznes un galaktikas veidojās mūsu Visumā un attīstījās miljardu gadu laikā.
Vēl nesen visplašākais un pilnīgākais pētījums bija “Illustrus” simulācija, kurā tika aplūkots galaktiku veidošanās process pēdējo 13 miljardu gadu laikā. Mēģinot sagraut savu rekordu, tā pati komanda nesen sāka veikt simulācijas, kas pazīstamas kā “Illustris, The Next Generation” vai “IllustrisTNG”. Nesen tika atklāta pirmā šo atklājumu kārta, un ir paredzams, ka sekos vēl vairākas.
Šie atklājumi parādījās trīs rakstos, kas nesen publicēti Karaliskās astronomiskās biedrības ikmēneša paziņojumi. Illustris komandu veido pētnieki no Heidelbergas Teorētisko pētījumu institūta, Maksima Planka astrofizikas un astronomijas institūtiem, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta, Hārvardas universitātes un Skaitliskās astrofizikas centra Ņujorkā.
Izmantojot Hazel Hen superdatoru Štutgartes Augstas veiktspējas skaitļošanas centrā (HLRS) - vienā no trim pasaules klases vācu superdatoru iekārtām, kuras veido Gausa superdatoru centrs (GCS), komanda veica simulāciju, kas palīdzēs pārbaudīt un paplašināt par esošajām eksperimentālajām zināšanām par Visuma agrākajiem posmiem - ti, kas notika no 300 000 gadu pēc Lielā sprādziena līdz mūsdienām.
Lai izveidotu šo simulāciju, komanda apvienoja vienādojumus (piemēram, vispārējās relativitātes teoriju) un datus no mūsdienu novērojumiem masīvā skaitļošanas kubā, kas pārstāvēja lielu Visuma šķērsgriezumu. Dažiem procesiem, piemēram, zvaigžņu veidošanās un melno caurumu palielināšanās, pētnieki bija spiesti paļauties uz pieņēmumiem, kas balstīti uz novērojumiem. Pēc tam viņi izmantoja skaitliskos modeļus, lai kustētu šo simulēto Visumu.
Salīdzinot ar viņu iepriekšējo simulāciju, IllustrisTNG sastāvēja no 3 dažādiem Visumiem ar trim atšķirīgām izšķirtspējām - no kuriem lielākais visā mērīja 1 miljardu gaismas gadu (300 megaparses). Turklāt pētnieku grupa iekļāva precīzāku magnētisko lauku uzskaiti, tādējādi uzlabojot precizitāti. Kopumā simulācijā tika izmantoti 24 000 serdeņi Hazel Hen superdatorā kopumā 35 miljonu kodolu stundās.
Kā prof. Dr. Volkers Springelis, Heidelbergas Teorētisko pētījumu institūta profesors un pētnieks un projekta galvenais pētnieks, paskaidroja Gausa centra paziņojumā presei:
“Magnētiskie lauki ir interesanti dažādu iemeslu dēļ. Kosmiskajai gāzei radītais magnētiskais spiediens dažkārt var būt vienāds ar termisko (temperatūras) spiedienu, kas nozīmē, ka, ja to nevērīgi izturēsities, jūs aizmirsīsit šos efektus un galu galā kompromitēsit savus rezultātus. ”
Vēl viena būtiska atšķirība bija atjauninātās melnā cauruma fizikas iekļaušana, pamatojoties uz nesenajām novērošanas kampaņām. Tas ietver pierādījumus, kas pierāda korelāciju starp supermasīvajiem melnajiem caurumiem (SMBH) un galaktisko evolūciju. Būtībā ir zināms, ka SMBH izstaro milzīgu enerģijas daudzumu starojuma un daļiņu strūklu veidā, kam var būt bremzējoša ietekme uz zvaigžņu veidošanos galaktikā.
Lai gan pētnieki pirmās simulācijas laikā noteikti bija informēti par šo procesu, viņi neņēma vērā, kā tas var pilnībā apstādināt zvaigžņu veidošanos. Iekļaujot simulācijā atjauninātus datus gan par magnētiskajiem laukiem, gan par melnā cauruma fiziku, komanda redzēja lielāku korelāciju starp datiem un novērojumiem. Tāpēc viņi ir pārliecinātāki par rezultātiem un uzskata, ka tas atspoguļo visprecīzāko līdz šim veikto simulāciju.
Bet kā paskaidroja Dr Dylan Nelson - fiziķis no Maksa Planka astronomijas institūta un llustricTNG loceklis -, iespējams, ka simulācijas nākotnē būs vēl precīzākas, pieņemot, ka superdatoru sasniegumi turpinās:
“Palielināts atmiņas un apstrādes resursu daudzums nākamās paaudzes sistēmās ļaus mums simulēt lielus Visuma apjomus ar augstāku izšķirtspēju. Lieli apjomi ir svarīgi kosmoloģijai, lai izprastu Visuma liela mēroga struktūru un veiktu stingras prognozes nākamās paaudzes lieliem novērošanas projektiem. Augsta izšķirtspēja ir svarīga, lai uzlabotu mūsu procesu simulācijas procesos, kas notiek atsevišķās galaktikās. ”
Šī jaunākā simulācija bija iespējama arī pateicoties plašajam atbalstam, ko sniedza GCS darbinieki, kuri palīdzēja pētniecības komandai ar kodēšanu saistītos jautājumos. Tas bija arī milzīgu sadarbības centienu rezultāts, kas pulcēja pētniekus no visas pasaules un savienoja viņus ar nepieciešamajiem resursiem. Visbeidzot, bet ne mazāk svarīgi, tas parāda, kā palielināta lietišķo pētījumu un teorētisko pētījumu sadarbība dod labākus rezultātus.
Raugoties nākotnē, komanda cer, ka šīs jaunākās simulācijas rezultāti izrādīsies vēl noderīgāki nekā pēdējie. Sākotnējā Illustris datu izlaidumā ieguva vairāk nekā 2000 reģistrētu lietotāju, un rezultātā tika publicēti 130 zinātniskie pētījumi. Tā kā šis ir precīzāks un mūsdienīgāks, komanda sagaida, ka tas atradīs vairāk lietotāju un radīs vēl vairāk revolucionāro pētījumu.
Kas zina? Varbūt kādu dienu mēs varam izveidot simulāciju, kas ar pilnīgu precizitāti atspoguļo mūsu Visuma veidošanos un attīstību. Tikmēr noteikti izbaudiet šo pirmās Illustris Simulācijas video, ko pateicās komandas loceklis un MIT fiziķis Marks Vogelsbergers:
