Historia Wszechświata i superkomputery. Dzięki wirtualnym modelom poznajemy szczegóły z przeszłości kosmosu

W nowoczesnych badaniach astronomicznych i astrofizycznych, by potwierdzać lub odrzucać przypuszczenia naukowców, wykorzystywane są wirtualne modele i potrzebna do ich generowania moc superkomputerów. To komputerowe symulacje służą do badania zjawisk fizycznych, które nie są łatwo obserwowalne lub eksperymentalnie sprawdzalne.

Wirtualne modele kosmiczne pozwalają na odtworzenie warunków, jakie panowały we wczesnym wszechświecie, umożliwiają modelowanie ewolucji całych struktur kosmicznych, testowanie hipotez dotyczących ciemnej materii i ciemnej energii, oraz prognozowanie przyszłych scenariuszy kosmologicznych.

W czasie, kiedy mamy też dostępne ogromne ilości danych, jakie zbierają kosmiczne obserwatoria i teleskopy, jak Teleskop Jamesa Webba, symulacje przeprowadzane na superkomputerach stwarzają szansę, by porównywać i lepiej interpretować zdobyte informacje. Dzięki nim wiedza teoretyczna i dane obrazowe zdobyte przez teleskopy mogą być łączone, weryfikowane i wzajemnie uzupełniane.

Sięgnąć do Wielkiego Wybuchu

Komputerowe symulacje kosmosu pozwalają z nową dokładnością badać proces formowania się galaktyk. Astronomowie mogą przy dostatecznej mocy obliczeniowej sięgnąć do procesów, które odpowiadały za kształtowanie się Wszechświata przez 13,8 miliarda lat, od Wielkiego Wybuchu do dziś. Eksperci podkreślają jednak, że wciąż istnieje jednak wiele źródeł błędów. To ich wyeliminowaniu swoje prace poświęcił międzynarodowy zespół badawczy, który uruchomił specjalny projekt AGORA - Projekt porównawczy symulacji galaktyk w wysokiej rozdzielczości. Naukowcy spędzili sto milionów godzin pracy superkomputerów w ciągu ośmiu lat, próbując naprawić pojawiające się błędy.

Zdaniem ekspertów, kosmologiczne symulacje mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia, skąd pochodzą galaktyki, gwiazdy i planety. Ograniczeniami w działaniu wirtualnych modeli są m.in. rozdzielczość symulacji, a także założenia dotyczące wielu czynników, takich jak cykl życia i śmierci gwiazd oraz ewolucja ośrodka międzygwiazdowego.

• Polska inwestuje w sferę kosmiczną. Kupuje satelity do celów cywilnych i militarnych
• Ludzie znowu polecą na Księżyc. Istotna rola Polski w misji Artemis

By zminimalizować źródła błędów i stworzyć dokładniejsze symulacje, 160 naukowców - pod kierownictwem Santi Roca-Fàbrega z Uniwersytetu w Lund, Ji-hoon Kim z Uniwersytetu Narodowego w Seulu i Joela R. Primacka z Uniwersytetu Kalifornijskiego - podjęło współpracę i zaprezentowało wyniki największego w historii porównania komputerowych symulacji formowania galaktyk. W przedsięwzięciu badawczym wzięło udział 60 uniwersytetów i organizacji naukowych z całego świata.

Nowe wyjaśnienia starych problemów

- Dla postępu w kierunku teorii powstawania galaktyk, kluczowe jest porównanie wyników i kodów z różnych symulacji. Teraz udało nam się to osiągnąć, łącząc konkurujące ze sobą grupy kodowe stojące za najlepszymi na świecie symulatorami galaktyk, tworząc jedno swego rodzaju superporównanie - mówi Santi Roca-Fàbrega, badacz astrofizyki.

W ramach współpracy wykorzystano symulacje CosmoRun. Naukowcy przeanalizowali w nich formowanie się galaktyki tej samej masy co Droga Mleczna. Symulacja opiera się na tych samych założeniach astrofizycznych dotyczących ultrafioletowego promieniowania tła wytwarzanego przez pierwsze gwiazdy we Wszechświecie, chłodzenia i ogrzewania gazu w kosmosie oraz procesu powstawania gwiazd.

Nowe wyniki pozwalają naukowcom stwierdzić, że galaktyki dyskowe, takie jak Droga Mleczna, powstały na bardzo wczesnym etapie historii Wszechświata, zgodnie z obserwacjami wykonanymi przez Teleskop Jamesa Webba. Znaleziono również sposób na zgodność liczby galaktyk satelitarnych - galaktyk krążących wokół większych galaktyk - z obserwacjami. To ostatecznie rozwiązuje kwestię, jaką zajmowali się astrofizycy, znaną jako `problem brakujących satelitów". To deficyt, jaki wynikał z tego, że modele komputerowe i teoretyczne przewidywały istnienie o wiele większej liczby satelitów całych galaktyk, niż rzeczywiście są obserwowane.

Jak wykazał zespół badaczy, to gaz otaczający galaktyki jest kluczem do realistycznych symulacji, a nie liczba i rozmieszczenie gwiazd, co wcześniej uznawano za główny czynnik w modelowaniu.

Poznać Drogę Mleczną

- Nasze prace trwają od ośmiu lat i obejmują przeprowadzenie setek symulacji oraz wykorzystanie stu milionów godzin pracy urządzeń superkomputerowych - mówi Santi Roca-Fàbrega. Dodaje, że to początek bardziej wiarygodnych symulacji powstawania galaktyk, które z kolei pomogą nam lepiej zrozumieć naszą rodzimą galaktykę, Drogę Mleczną.

Teraz trwają prace nad dalszym udoskonalaniem symulacji powstawania galaktyk. Badacze mają nadzieję, że z każdym osiągnięciem technologicznym dodadzą nowe elementy do fascynującej układanki o narodzinach i ewolucji wszechświata i galaktyk.

Przemysław Goławski, projekt AGORA, lunduniversity.lu.se

• Supermasywne czarne dziury. Naukowcy potwierdzili zlewanie się ciemnej materii