Споконвіку філософи та вчені прагнули визначити, як почалося існування. З народженням сучасної астрономії ця традиція продовжилася і породила поле, відоме як космологія. І за допомогою суперкомп'ютерів вчені мають змогу проводити симуляції, які показують, як перші зірки та галактики формувалися у нашому Всесвіті та розвивалися протягом мільярдів років.
До недавнього часу наймасштабнішим і найповнішим дослідженням було моделювання «Ілюструса», яке вивчало процес утворення галактики протягом останніх 13 мільярдів років. Прагнучи побити власний рекорд, та сама команда нещодавно почала проводити симуляцію, відому як "Illustris, наступне покоління" або "IllustrisTNG". Перший раунд цих висновків був нещодавно оприлюднений, і очікується наступне ще кілька.
Ці висновки з'явилися у трьох статтях, нещодавно опублікованих у Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства. Команда Illustris складається з дослідників з Інституту теоретичних досліджень Гейдельберга, Інституту астрофізики Макса-Планка та астрономії, Массачусетського технологічного інституту, Гарвардського університету та Центру обчислювальної астрофізики в Нью-Йорку.
Використовуючи суперкомп'ютер Hazel Hen у високоефективному обчислювальному центрі Штутгарта (HLRS) - одному з трьох німецьких суперкомп'ютерних засобів світового класу, що включає Гауссовий центр суперкомп'ютерів (GCS) - команда провела моделювання, яке допоможе перевірити та розширити про існуючі експериментальні знання про найдавніші етапи Всесвіту - тобто про те, що сталося від 300 000 років після Великого вибуху до наших днів.
Для створення цього моделювання команда поєднала рівняння (наприклад, Теорія загальної відносності) та дані сучасних спостережень у масивний обчислювальний куб, який представляв великий поперечний переріз Всесвіту. У деяких процесах, таких як утворення зірок і зростання чорних дір, дослідники змушені були покладатися на припущення, засновані на спостереженнях. Потім вони застосовували числові моделі, щоб привести в рух цю імітовану Всесвіт.
Порівняно з попереднім моделюванням, IllustrisTNG складався з 3-х різних всесвітів у трьох різних роздільних здатностях - найбільший з них вимірював 1 мільярд світлових років (300 мегапарсек) поперек. Крім того, дослідницька група включила більш точний облік магнітних полів, тим самим підвищивши точність. Загалом для моделювання було використано 24 000 ядер на суперкомп'ютері Hazel Hen за загальну кількість 35 мільйонів основних годин.
Як пояснив у прес-релізі Центру Гаусса проф. Доктор Волкер Спрингел, професор та науковий співробітник Інституту теоретичних досліджень Гейдельберга та головний дослідник проекту:
«Магнітні поля цікаві з різних причин. Магнітний тиск, що чиниться на космічному газі, може періодично дорівнювати температурному (температурному) тиску, тобто, якщо ви нехтуєте цим, ви пропустите ці ефекти і в кінцевому рахунку зіпсуєте свої результати ».
Ще однією важливою відмінністю було включення оновленої фізики чорної діри на основі останніх кампаній спостереження. Сюди входять дані, що демонструють кореляцію між надмасивними чорними дірами (SMBH) та галактичною еволюцією. По суті, СМБХ, як відомо, випромінюють величезну кількість енергії у вигляді випромінювання та струменів частинок, які можуть мати затримуючий вплив на утворення зірок у галактиці.
Хоча дослідники, безумовно, знали про цей процес під час першого моделювання, вони не враховували, як він може повністю зупинити утворення зірок. Включивши в моделювання оновлені дані як щодо магнітних полів, так і фізики чорних дір, команда побачила більшу кореляцію між даними та спостереженнями. Тому вони впевнені у своїх результатах і вважають, що це є найбільш точним моделюванням на сьогоднішній день.
Але, як пояснив доктор Ділан Нельсон - фізик з Інституту астрономії Макса Планка та член llustricTNG, майбутні імітації, ймовірно, будуть ще більш точними, якщо припустити, що розвиток суперкомп'ютерів продовжується:
«Збільшена пам'ять та ресурси обробки в системах нового покоління дозволять нам моделювати великі обсяги Всесвіту з більшою роздільною здатністю. Великі обсяги важливі для космології, розуміння масштабної структури Всесвіту та твердих прогнозів для наступного покоління великих спостережних проектів. Висока роздільна здатність важлива для вдосконалення наших фізичних моделей процесів, що відбуваються всередині окремих галактик під час нашого моделювання ».
Це останнє моделювання стало також можливим завдяки широкій підтримці, яку надавали співробітники GCS, які допомагали дослідницькій групі у питаннях, пов'язаних з їх кодуванням. Це також було результатом масштабних спільних зусиль, які зібрали дослідників з усього світу та поєднали їх з необхідними ресурсами. І останнє, але не менш важливе, це показує, як посилена співпраця між прикладними дослідженнями та теоретичними дослідженнями призводить до кращих результатів.
Забігаючи наперед, команда сподівається, що результати цього останнього моделювання виявляться навіть кориснішими, ніж останні. Оригінальний випуск даних Illustris набрав понад 2000 зареєстрованих користувачів і призвів до опублікування 130 наукових досліджень. Зважаючи на те, що ця модель є більш точною та сучасною, команда сподівається, що вона знайде більше користувачів та призведе до ще більш новаторських досліджень.
Хто знає? Можливо, колись ми можемо створити симуляцію, яка з повною точністю фіксує формування та еволюцію нашого Всесвіту. Тим часом обов’язково насолоджуйтесь цим відео першої імітації Illustris, люб’язно надавшись члену команди та фізику MIT Марку Фогельсбергеру:
