figyeld, ahogy az univerzum kilép a sötét korszakból – a Lumina szimulációval
from The Starset Society:
http://thestarsetsociety.org/watch-the-universe-emerge-from-the-dark-ages-with-lumina/
Egy új szimuláció a sötét anyagot, a galaxisokat, a csillagokat és a kozmikus struktúrákat követi nyomon az univerzum első 2 milliárd évében, nagyobb részletességgel és térfogatban, mint valaha.
Az Ősrobbanással az univerzum elektronokból és szubatomi részecskékből álló, forró és sűrű „levesként” jött létre. Ez az ősi, ionizált plazma – amely kezdetben még egyetlen atomnál is kisebb volt – gyorsan tágulni és hűlni kezdett. Eközben a „levesben” lévő részecskék annyira lelassultak, hogy képesek voltak kapcsolódni az elektronokhoz, így elektromosan semleges hidrogén keletkezett.
Ahogy ez a semleges hidrogén felhalmozódott, mintegy lepelként hatott, megakadályozva, hogy a fény és a sugárzás egyéb formái szabadon áthaladjanak rajta. Körülbelül 380 000 évvel az ősrobbanás után az univerzum egy kozmikus „sötét korszakba” zuhant.
Most egy új számítógépes szimuláció részletes képet nyújt a tudósoknak arról, hogyan bontakozhattak ki az első galaxisok, csillagok és egyéb struktúrák az adott időszaktól kezdődően, végül kivezetve az univerzumot a sötét korszakából.
A Királyi Csillagászati Társaság (MNRAS) Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) című folyóiratában megjelent tanulmányban az MIT, a Harvard Egyetem és más intézmények fizikusai bemutatják a Luminát – egy nagy térfogatú, nagy felbontású szimulációt, amely a korai univerzumot követi nyomon a „sötét korszaktól” kezdve a következő 2 milliárd évnyi kozmikus evolúción át.
Két kulcsfontosságú átalakulás
A Lumina a korai univerzum egy hatalmas szeletét öleli fel, amely 500 megaparsec – vagyis mintegy 1,6 milliárd fényév – kiterjedésű. Ezen a területen belül a szimuláció nyomon követi a sötét anyag, a gáz, a csillagok és a sugárzás (például a fotonok) fejlődését: hatalmas kozmikus léptékektől egészen az egyes, éppen formálódó galaxisok részletéiig.
Átrepülés egy hatalmas halón keresztül a z=3 vöröseltolódásnál: a felvétel a nagy léptékű kozmikus környezetből indulva halad a haló sűrű belső tartományai felé, ahol a sorozat vége felé már az egyes galaxisok is láthatóvá válnak. A videó bemutatja a sötét anyag sűrűségének, a gáz sűrűségének, a gáz hőmérsékletének, a gáz fémtartalmának, valamint a csillagok fényének eloszlását a rendszerben.
A Lumina által szimulált 2 milliárd év során a program bemutatja a kozmikus történelem két hatalmas átalakulásának, a hidrogén és a hélium reionizációjának a kibontakozását.
A hidrogén reionizációja az az időszak, amikor a korai csillagok elegendő ultraibolya fényt bocsátottak ki ahhoz, hogy kölcsönhatásba lépjenek a semleges hidrogénnel, és leválasszák róla az elektront. Ez a „reionizáció” megakadályozta, hogy a hidrogén elnyelje a fotonokat, lehetővé téve ezzel a fény szabad terjedését. A hidrogén reionizációja segített fellebbenteni a semleges hidrogénből álló fátylat – ezt a folyamatot örökíti meg most először, részletesen a Lumina.
A szimuláció a hélium újraionizációját is nyomon követi, amely hasonló a hidrogén megfelelőjéhez, amelyben a sokkal nagyobb energiájú fény szétbontja a semleges héliumot.
Részletes szimulációi során a Lumina feltárta, hogy a hidrogén reionizációját valószínűleg a korai galaxisokból és csillagokból származó fény idézte elő. Ezzel szemben a hélium reionizációját a sokkal nagyobb energiájú, korai szupermasszív fekete lyukak táplálták – mégpedig aktív, anyagot akkréciós (anyagbeáramlást végző) fázisukban. Ez az első alkalom, hogy egy szimuláció a hidrogén és a hélium reionizációját egyaránt képes volt megragadni.
„A Lumina mindent lefed a csillagok és galaxisok kisméretű keletkezésétől kezdve egészen a hidrogén és hélium nagyméretű reionizációjáig, méghozzá egy olyan térfogatban, amely százszor nagyobb, mint a korábbi legjobb szimulációké” – mondja a tanulmány szerzője, Mark Vogelsberger, az MIT fizikaprofesszora.
Ő és munkatársai elérhetővé teszik a Luminát a tudományos közösség számára, hogy a kutatók összevethessék a korai kozmikus struktúrák fejlődéséről készített részletes szimulációit az új, illetve a jövőbeli távcsövek által rögzített felvételekkel. Így talán sikerül feltárniuk azokat a folyamatokat, amelyek az univerzum első galaxisait, csillagait és szerkezeteit formálták.
A tanulmány MIT – s társszerzői Xuejian (Jacob) Shen és Teodora-Elena Bluichi. További szerzők közé tartozik az első szerző, Oliver Zier (a Vogelsberger Laboratórium korábbi posztdoktora), Rongrong Liu, Sonja Koehler és Lars Hernquist a Harvard és Smithsonian Asztrofizikai Központból; Aaron Smith a Texasi Egyetemről, Dallasból; Rahul Kannan a kanadai York Egyetemről, valamint Volker Springel és Rüdiger Pakmor a németországi Max Planck Asztrofizikai Intézetből.
Kozmikus számítás
A Lumina név a latin „fények” jelentésű szóból ered. A Lumina középpontjában az IllustrisTNG áll, amelyet korábban az MIT és más intézmények tudósai – köztük a Lumina csapatának tagjai – fejlesztettek ki. Az IllustrisTNG egy nagyszabású szimuláció, amely a sötét anyag és a gáz kölcsönhatásait, valamint a galaxisok kialakulásában szerepet játszó egyéb folyamatokat követi nyomon, az Ősrobbanástól egészen napjainkig.
A Lumina létrehozása során a kutatócsoport továbbfejlesztette az IllustrisTNG kódját, lehetővé téve, hogy a szimuláció a galaxisok kialakulását ugyanolyan részletességgel, ám sokkal nagyobb térfogatban kövesse nyomon. Ezt a továbbfejlesztett galaxismodellt egy sugárzástranszport-modellel ötvözték, amely azt szimulálja, miként lépnek kölcsönhatásba a különböző sugárzástípusok – például az ultraibolya fény – rendkívül nagy, kozmikus léptékekben; ezáltal olyan folyamatok is megragadhatók, mint a hidrogén reionizációja.
Az új és továbbfejlesztett szimuláció rendkívül finom részleteket tár fel hatalmas léptékekben. A gyakorlatban a szimuláció félbillió egyedi elemet – köztük sötétanyag-részecskéket és gázcellákat – foglal magában, ami körülbelül harmincszor nagyobb felbontást jelent, mint az IllustrisTNG esetében. A Lumina rögzíti mindezen részleteket, és az időben előrehaladva követi azok fejlődését egy mintegy 500 megaparsec kiterjedésű, hatalmas térrészben – amelynek térfogata százszorosa a korábbi szimulációkénak.
A számítások elvégzése minden egyes cellára vonatkozóan – 2 milliárd évnyi kozmikus időt, valamint rendkívül nagy és nagyon kicsi léptékeket átfogva – jelentős számítási kapacitást igényel. A kutatócsoport a Lumina szoftvert a Frontier nevű rendszeren futtatta; ez a világ egyik legerősebb szuperszámítógépe, amely a Tennessee állambeli Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumban található.
„Csúcsteljesítményen a számítási folyamat több mint 100 000 CPU-magnak és mintegy 15 000 GPU-nak megfelelő kapacitást fog össze” – mondja Shen. „Annak biztosítása, hogy mindezek a processzorok hatékonyan kommunikáljanak egymással, miközben folyamatosan dolgoznak fel és alakítanak át több billiónyi, egymással kölcsönhatásban álló információegységet, önmagában is rendkívüli számítástechnikai teljesítmény.”
Teljes nagyítás
A Lumina az Ősrobbanás után körülbelül 45 millió évvel kezdi meg szimulációit, a „sötét korszak” kellős közepén, amikor a korai univerzumot a semleges hidrogén uralta. A kutatók olyan kezdeti feltételeket állítottak be a szimulációhoz, amelyek megközelítik azt az állapotot, amelyről a fizikusok elméletei szerint egy ilyen sötét kozmikus időszakban fenn kellett állnia.
Ezt követően elindították a Luminát, hogy kiszámítsák, miként lép kölcsönhatásba az anyag – gáz és sötét anyag formájában – a szimuláció félbillió cellájában az adott időszakokban. Ezzel párhuzamosan a szimuláció meghatározza, hol és hogyan keletkezik a sugárzás – például a csillagokból származó ultraibolya fény –, és miként van kölcsönhatásban a környezetével.
A projekt weboldalán a csapat számos videót tesz közzé, amelyek bemutatják azokat a különböző léptékeket, időszakokat, fizikai folyamatokat és kozmikus szerkezeti rétegeket, amelyeket a Lumina szimulál. Ilyen például egy „ráközelítés” a világegyetem egy kiterjedt tartományáról egyetlen, korong alakú galaxisra, valamint egy, a teljes térfogatot átfogó, 2 milliárd évet bemutató időbeli összefoglaló (time-lapse) felvétel, amely a hidrogén eloszlásának mintázatát és annak időbeli újraionizálódási folyamatát szemlélteti.
„Egyrészt nyomon követjük a sötét anyag és a világegyetemben található gáz fejlődését, másrészt pedig azt is, hogyan terjed a sugárzás” – magyarázza Zier. „Látjuk, ahogy a sötét anyag és a gáz sűrűsödni kezd ezeken a nagyobb sűrűségű területeken. Ha pedig közelebbről vizsgáljuk, megfigyelhetjük, amint a gáz beáramlik ezekbe a sötétanyag-halókba. Még közelebbről nézve látható, hogy itt alakulnak ki az első galaxisok, azokon belül pedig az első csillagok. Ezek a csillagok aztán sugárzást bocsátanak ki. A szimuláció nyomon követi ezt a sugárzást; ha pedig távolabbról tekintünk rá a rendszerre, láthatjuk, hogyan terjed a sugárzás a csillagokból kiindulva a világegyetemben, mígnem egy ponton ionizálja a semleges hidrogént.”
„Más szimulációk nem képesek ilyen mértékű nagyításra” – jegyzi meg Vogelsberger. „A szimulált legkisebb és legnagyobb léptékek közötti különbség itt a legnagyobb, messze meghaladva bármely más szimulációét.”
Ez a videó egy erőteljes ráközelítést mutat be a teljes Lumina-térfogattól egészen egy hatalmas, korong alakú galaxisig, amely a Lumina-szimulációban a z=4 vöröseltolódásnál található. A képsorozat egymás után mutatja be a sötét anyag sűrűségét, a gáz sebességét, a gáz hőmérsékletét, a több sávra kiterjedő szintetikus képet, a gáz fémtartalmát, a HeIII-hányadot (kétszeresen ionizált héliumatom), valamint a gáz sűrűségét. A felvétel jól szemlélteti a Lumina hatalmas dinamikatartományát.
A jövőre nézve a kutatócsoport azt tervezi, hogy a Lumina segítségével feltérképezi a korai univerzum nagyskálájú szerkezetét. A szimuláció emellett hozzájárulhat azon gravitációs hullámmintázatok előrejelzéséhez is, amelyeket a korai galaxisok és fekete lyukak hozhatnak létre.
A Lumina által szimulált jelenségek hamarosan összevethetők lesznek az új, illetve a közeljövőben üzembe álló távcsövekkel végzett tényleges megfigyelésekkel.
„A Lumina egyik fő előnye a puszta mérete” – mondja Shen. „Hatalmas számú szimulált galaxist hoz létre, ami végre lehetővé teszi az összehasonlítást azokkal a rendkívül nagy galaxismintákkal, amelyeket a közelgő felmérések fognak megfigyelni.”
Ezt a kutatást részben a NASA és a National Science Foundation (NSF) támogatta; a munka során az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium (Oak Ridge National Laboratory) keretében működő Oak Ridge Leadership Computing Facility erőforrásait vették igénybe, amelyet az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala (Office of Science) alá tartozó, Fejlett Tudományos Számítástechnikai Kutatási Programok (Advanced Scientific Computing Research programs) támogatnak.
További információ a news.mit.edu oldalán.
Be a Nerdy Bird!
