С незапамятных времен философы и ученые стремились определить, как началось существование. С рождением современной астрономии эта традиция продолжилась и дала начало области, известной как космология. А с помощью суперкомпьютеров ученые могут проводить симуляции, которые показывают, как первые звезды и галактики формировались в нашей Вселенной и развивались в течение миллиардов лет.
До недавнего времени самым обширным и полным исследованием была симуляция «Illustrus», в которой рассматривался процесс образования галактик в течение последних 13 миллиардов лет. Стремясь побить собственный рекорд, эта же команда недавно начала проводить симуляцию, известную как «Illustris, The Next Generation» или «IllustrisTNG». Первый раунд этих результатов был недавно выпущен, и ожидается, что последуют еще несколько.
Эти результаты появились в трех статьях, недавно опубликованных в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества, Команда Illustris состоит из исследователей из Института теоретических исследований Гейдельберга, Института астрофизики и астрономии им. Макса Планка, Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и Центра вычислительной астрофизики в Нью-Йорке.
Используя суперкомпьютер Hazel Hen в Высокопроизводительном вычислительном центре Штутгарта (HLRS) - одном из трех немецких суперкомпьютерных центров мирового класса, которые составляют Центр суперкомпьютеров Gauss (GCS) - команда провела симуляцию, которая поможет проверить и расширить на существующих экспериментальных знаниях о самых ранних стадиях Вселенной - то есть, что произошло от 300 000 лет после Большого взрыва до наших дней.
Чтобы создать это моделирование, команда объединила уравнения (такие как Теория Общей Относительности) и данные из современных наблюдений в массивный вычислительный куб, который представлял большое поперечное сечение Вселенной. Для некоторых процессов, таких как образование звезд и рост черных дыр, исследователи были вынуждены полагаться на предположения, основанные на наблюдениях. Затем они использовали численные модели, чтобы привести в движение эту симулированную Вселенную.
По сравнению с их предыдущим моделированием, IllustrisTNG состоял из 3 разных вселенных в трех разных разрешениях, самая большая из которых имела ширину в 1 миллиард световых лет (300 мегапарсек). Кроме того, исследовательская группа включила более точный учет магнитных полей, что позволило повысить точность. В общей сложности при моделировании использовалось 24 000 ядер на суперкомпьютере Hazel Hen в общей сложности 35 миллионов часов работы ядра.
Профессор, доктор Фолькер Спрингель, профессор и исследователь Гейдельбергского института теоретических исследований и главный исследователь проекта, объяснил в пресс-релизе Центра Гаусса:
«Магнитные поля интересны по разным причинам. Магнитное давление, оказываемое на космический газ, иногда может быть равно тепловому (температурному) давлению, а это означает, что если вы пренебрегаете этим, вы пропустите эти эффекты и в конечном итоге поставите под угрозу свои результаты ».
Другим важным отличием было включение обновленной физики черных дыр, основанной на недавних наблюдательных кампаниях. Это включает в себя доказательства, которые демонстрируют корреляцию между сверхмассивными черными дырами (SMBH) и эволюцией галактик. В сущности, известно, что SMBH посылают огромное количество энергии в виде излучения и струй частиц, которые могут оказывать сдерживающее влияние на формирование звезд в галактике.
Хотя исследователи наверняка знали об этом процессе во время первого моделирования, они не учитывали, как он может полностью остановить образование звезд. Включив в симуляцию обновленные данные как по магнитным полям, так и по физике черных дыр, команда увидела большую корреляцию между данными и наблюдениями. Поэтому они более уверены в результатах и считают, что они представляют собой наиболее точное моделирование на сегодняшний день.
Но, как объяснил доктор Дилан Нельсон - физик из Института астрономии Макса Планка и член группы llustricTNG, будущие симуляции, вероятно, будут еще более точными, если предположить, что достижения в суперкомпьютерах продолжаются:
«Увеличение памяти и ресурсов обработки в системах следующего поколения позволит нам моделировать большие объемы вселенной с более высоким разрешением. Большие объемы важны для космологии, понимания крупномасштабной структуры вселенной и точных прогнозов для следующего поколения крупных наблюдательных проектов. Высокое разрешение важно для улучшения наших физических моделей процессов, происходящих внутри отдельных галактик в нашем моделировании ».
Это последнее моделирование стало возможным благодаря обширной поддержке, оказанной персоналом GCS, который помог исследовательской группе в вопросах, связанных с их кодированием. Это также стало результатом огромных совместных усилий, которые объединили исследователей со всего мира и объединили их с необходимыми им ресурсами. Наконец, но не в последнюю очередь, это показывает, как расширение сотрудничества между прикладными исследованиями и теоретическими исследованиями приводит к лучшим результатам.
Заглядывая в будущее, команда надеется, что результаты этой последней симуляции окажутся еще более полезными, чем предыдущие. Оригинальный выпуск данных Illustris получил более 2000 зарегистрированных пользователей и привел к публикации 130 научных исследований. Учитывая, что этот метод является более точным и актуальным, команда ожидает, что он найдет больше пользователей и приведет к еще более революционным исследованиям.
Кто знает? Возможно, когда-нибудь мы сможем создать симуляцию, которая фиксирует формирование и эволюцию нашей Вселенной с полной точностью. А пока не забудьте посмотреть видео первого Illustris Simulation, предоставленного членом команды и физиком Массачусетского технологического института Марком Фогельсбергером:
