Astronomowie stworzyli wirtualny i realistyczny Wszechświat

Fragment symulowanego Wszechświata
Fragment symulowanego Wszechświata na przesunięciu ku czerwieni równym z=0  (czyli współcześnie), wyśrodkowany na najbardziej masywnej gromadzie galaktyk. Obraz przedstawia gęstość ciemnej materii nałożonej na rozkład pola prędkości.
Źródło: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
Astronomowie stworzyli po raz pierwszy tak realistyczny Wszechświat wirtualny  z wykorzystaniem symulacji komputerowej, którą nazwano Illustris. W Illustris odtworzono  z bardzo dużą dokładnością 13 miliardów lat kosmicznej ewolucji fragmentu Wszechświata w sześcianie, którego bok ma wymiar 350 milionów lat świetlnych (106.5 Mpc).

„Do tej pory, żadna symulacja nie była w stanie odtworzyć Wszechświata jednocześnie w dużej i małej skali” chwali się Mark Vogelsberger (MIT/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), który wraz ze swoimi współpracownikami z różnych instytucji, w tym z  Instytutu Nauk Teoretycznych w Heidelbergu (HITS, Heidelberg Institute for Theoretical Studies) w Niemczech, pracowali nad Illustris.

Poprzednie próby symulacji ewolucji Wszechświata były ograniczone ze względu na moc obliczeniową komputerów, głównie przez skomplikowane procesy fizyczne, które są zaimplementowane w algorytmie. W konsekwencji symulacje albo miały ograniczoną rozdzielczość, albo obejmowały znacznie mniejszy obszar wszechświata. Wcześniejsze symulacje dodatkowo miały problemy z opisem procesów związanych z wpływem formacji gwiazdowej, wybuchów supernowych i supermasywnych czarnych dziur na ewolucję galaktyk.

Symulację Illustris wykonano w oparciu o program komputerowy, który odtwarza ewolucję wszechświata z bardzo dużą dokładnością i zawiera w sobie opis wielu procesów fizycznych. Symulacja składała się 12 miliardów trójwymiarowych pikseli i obejmowała materię zwykłą oraz ciemną. Grupa badaczy poświęciła 5 lat pracy nad napisaniem programu Illustris. Obecne wyniki uzyskano w oparciu o symulacje trwające 3 miesiące prowadzone na 8.000 procesorów pracujących jednocześnie. Jeżeli naukowcy chcieliby policzyć to na zwykłym komputerze trwało by to ponad 2.000 lat.

Symulacja komputerowa rozpoczynała się około 12 milionów lat tuż po Wielkim Wybuchu i trwała aż do obecnych czasów. W symulowanym obszarze astronomowie naliczyli, że powstało 41.000 galaktyk. Co najważniejsze Illustris odtworzył rzeczywisty stosunek liczby galaktyk spiralnych do eliptycznych. Dodatkowo w symulowanym obszarze powstały wielkoskalowe struktury takie jak gromady galaktyk, bąble i pustki w kosmicznej sieci. W małych skalach zaś, udało się odtworzyć skład chemiczny pojedynczych galaktyk.

Ze względu na skończoną wartość prędkości światła im dalsze obszary astronomowie obserwują tym dalej w czasie się „cofają”. Galaktyka, która znajduje się w odległości miliarda lat świetlnych wygląda tak jak miliard lat temu. Teleskopy takie jak Kosmiczny Teleskop Hubble'a pozwalają nam spojrzeć na wczesny Wszechświat, jeśli tylko będziemy patrzeć odpowiednio daleko. Naukowcy mogą użyć Hubble'a, aby zobaczyć jak wyglądał wczesnych Wszechświat i jakie panowały wtedy warunki, ale niestety nie są w stanie śledzić ewolucji pojedynczej galaktyki.

Dzięki symulacji Illustris możemy prześledzić taką ewolucję. Naukowcy są w stanie „przewijać” czas do przodu i do tyłu a nawet wykonać stop klatkę. Dodatkowo mogą wykonać zbliżenie tylko na pojedynczą galaktykę albo gromadę galaktyk, by przyjrzeć się jakie dokładnie efekty tam się pojawiają.

Grupa badaczy aktualnie przygotowuje film w wysokiej rozdzielczości, który przedstawia różne ewolucję symulowanych składników oraz wielkości fizycznych, takich jak: gęstość ciemnej materii, temperatura gazu lub skład chemiczny. Na stronie projektu znajdującej się pod adresem http://www.illustris-project.org/ można również zobaczyć wstępne, krótsze filmy oraz wiele obrazów z symulacji.

Uzyskane wyniki opisano na łamach czasopisma NatureProperties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation, M. Vogelsberger et al.
Nature 509, 177–182    (08 May 2014)    doi:10.1038/nature13316



Hubert Siejkowski | Źródło: cfa.harvard.edu

Liczba odsłon: 2365