Astronomowie z Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian stworzyli Luminę – jedną z największych i najbardziej szczegółowych symulacji wczesnego Wszechświata. Model obejmuje pierwsze 2 miliardy lat po Wielkim Wybuchu i ma pomóc w interpretacji danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba oraz przyszłych obserwacji teleskopu Nancy Grace Roman.
Po co astronomom symulacja
Teleskopy dostarczają obrazów najwcześniejszych galaktyk, ale same obserwacje nie wystarczą, by zrozumieć, jak powstały. Dlatego naukowcy zamieniają teorie w szczegółowe przewidywania liczone na superkomputerach. Jeśli obserwacje zgadzają się z wynikami modelu, zaufanie do obowiązujących teorii rośnie. Jeśli się rozchodzą, pojawia się szansa na odkrycie czegoś nowego i zrewidowanie dotychczasowych założeń.
Praca została opublikowana w czasopiśmie „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”. Lumina śledzi, jak zwykła materia, ciemna materia i promieniowanie oddziałują ze sobą, tworząc gwiazdy i galaktyki, a także jak pierwsze galaktyki zmieniały rozległe obszary gazu między nimi.
Rekordowa skala
Lumina to największa dotąd symulacja kosmologiczna typu radiacyjno-hydrodynamicznego. Obejmuje ponad 100 razy większą objętość przestrzeni niż wcześniejsze porównywalne modele. Odpowiada to sześcianowi o boku około 1,5 miliarda lat świetlnych, czyli skali zbliżonej do tej, którą można obserwować najpotężniejszymi dzisiejszymi teleskopami.
Nowością jest też ujęcie reionizacji helu. Lumina jako pierwsza odtwarza ten proces w trakcie jego trwania i od razu uwzględnia jego skutki dla dalszej ewolucji modelowanego Wszechświata. Reionizacja to etap, w którym gaz wypełniający kosmos został na nowo zjonizowany przez światło pierwszych obiektów. Jak ujął to współautor pracy Aaron Smith z University of Texas at Dallas: „Po raz pierwszy możemy śledzić, jak wodór i hel przechodziły w swoją współczesną postać w tak ogromnej objętości Wszechświata”.
Moc obliczeniowa i dalsze plany
Do obliczeń wykorzystano ponad 15 tysięcy procesorów graficznych superkomputera Frontier w Oak Ridge National Laboratory w stanie Tennessee. Dzięki temu udało się połączyć ogromną objętość z poziomem szczegółowości potrzebnym do badania powstawania galaktyk, gwiazd i czarnych dziur.
Zespół traktuje Luminę jako platformę do testowania pomysłów na temat powstania i rozwoju Wszechświata. Kolejne badania mają dotyczyć m.in. przepływu gazu między galaktykami, wpływu promieniowania pochodzącego z początków kosmosu na jego ewolucję oraz powstawania regionów intensywnego formowania gwiazd.
Co to oznacza dla Polski
Dla przeciętnego czytelnika to wiedza fundamentalna, bez bezpośrednich skutków na co dzień, ale ważna dla całej astronomii. Dane z teleskopu Webba analizują także polscy badacze, a Polska jest członkiem Europejskiej Agencji Kosmicznej, więc wyniki takich symulacji trafiają do globalnego obiegu naukowego, z którego korzystają również europejskie zespoły. Z artykułu nie wynika, by w projekcie Lumina uczestniczyły polskie instytucje.
Warto też zwrócić uwagę na samą metodę: łączenie obserwacji z symulacjami to dziś standard w badaniu kosmosu. Im dokładniejsze modele, tym łatwiej wychwycić moment, w którym rzeczywistość zaczyna odbiegać od teorii.
Źródło: Phys.org – „Lumina simulation brings the early universe to life on a record-breaking scale”