Juba ammustest aegadest on filosoofid ja teadlased otsinud, kuidas eksisteerimine alguse sai. Kaasaegse astronoomia sünniga on see traditsioon jätkunud ja andnud aluse kosmoloogiana tuntud väljale. Ja superarvuti abil on teadlastel võimalik läbi viia simulatsioone, mis näitavad, kuidas esimesed tähed ja galaktikad moodustusid meie universumis ja arenesid miljardite aastate jooksul.
Kuni viimase ajani oli kõige ulatuslikum ja terviklikum uuring Illustruse simulatsioon, milles vaadeldi galaktikate moodustumise protsessi viimase 13 miljardi aasta jooksul. Enda rekordi murdmiseks asus sama meeskond hiljuti läbi viima simulatsiooni, mida tunti nimega “Illustris, The Next Generation” või “IllustrisTNG”. Hiljuti avaldati nende leidude esimene voor, millele loodetakse järgneda veel mitu.
Need leiud ilmusid kolmes artiklis, mis avaldati hiljuti ajakirjas Kuningliku Astronoomiaühingu igakuised teated. Illustrise meeskond koosneb Heidelbergi teoreetiliste uuringute instituudi, Max Plancki astrofüüsika ja astronoomia instituudi, Harvardi ülikooli Massachusettsi tehnoloogiainstituudi ja New Yorgi arvutusliku astrofüüsika keskuse teadlastest.
Kasutades Hazel Hen superarvuti Stuttgarti kõrgtehnoloogilises arvutuskeskuses (HLRS) - ühes kolmest Saksa maailmatasemel superarvuti rajatisest, mis hõlmab Gaussi superarvuti keskust (GCS) - viis meeskond läbi simulatsiooni, mis aitab kontrollida ja laiendada olemasolevate eksperimentaalsete teadmiste põhjal universumi kõige varasemate etappide kohta - st mis juhtus 300 000 aastat pärast Suurt Pauku kuni tänapäevani.
Selle simulatsiooni loomiseks ühendas meeskond võrrandid (näiteks üldrelatiivsusteooria) ja kaasaegsete vaatluste andmed massiivseks arvutuslikuks kuubiks, mis kujutas universumi suurt ristlõiget. Mõne protsessi, näiteks tähtede moodustumise ja mustade aukude kasvu, puhul olid teadlased sunnitud tuginema vaatlustel põhinevatele oletustele. Seejärel kasutasid nad simuleeritud Universumi liikumiseks liikumiseks arvulisi mudeleid.
Võrreldes nende varasema simulatsiooniga, koosnes IllustrisTNG kolmest erinevast universumist kolme erineva eraldusvõimega - millest suurim mõõtis 1 miljard valgusaastat (300 megaparsi). Lisaks hõlmas uurimisrühm täpsemat magnetväljade arvestamist, parandades sellega täpsust. Kokku kasutati simulatsioonis Hazel Heni superarvutis 24 000 südamikku kokku 35 miljoni südamiku tunni vältel.
Nagu professor dr Volker Springel, Heidelbergi teoreetiliste uuringute instituudi professor ja teadur ning projekti juhtivteadur selgitas Gaussi keskuse pressiteates:
„Magnetväljad on huvitavad erinevatel põhjustel. Kosmilisele gaasile avaldatav magnetiline rõhk võib aeg-ajalt olla võrdne termilise (temperatuuri) rõhuga, mis tähendab, et kui selle tähelepanuta jätta, jätate selle efekti kasutamata ja kahjustate lõppkokkuvõttes oma tulemusi. "
Teine oluline erinevus oli värskete musta augu füüsika kaasamine hiljutiste vaatluskampaaniate põhjal. See sisaldab tõendeid, mis näitavad korrelatsiooni supermassiivsete mustade aukude (SMBH) ja galaktilise evolutsiooni vahel. Põhimõtteliselt saadavad SMBH-d teadaolevalt tohutul hulgal energiat kiirguse ja osakeste joa kujul, mis võib pidurdada tähtede moodustumist galaktikas.
Ehkki teadlased olid esimese simulatsiooni ajal sellest protsessist kindlasti teadlikud, ei mõjutanud nad seda, kuidas see tähtede teket täielikult pidurdada. Kaasates simulatsiooni värskendatud andmed nii magnetväljade kui ka musta augu füüsika kohta, nägi meeskond suuremat seost andmete ja vaatluste vahel. Seetõttu on nad tulemuste suhtes kindlamad ja usuvad, et see kujutab seni kõige täpsemat simulatsiooni.
Kuid nagu selgitas dr Dylan Nelson - Max Plancki astronoomiainstituudi füüsik ja llustricTNG liige -, on tuleviku simulatsioonid tõenäoliselt veelgi täpsemad, eeldades, et superarvutite areng jätkub:
Suurenenud mälu ja töötlemisressursid järgmise põlvkonna süsteemides võimaldavad meil simuleerida universumi suuri ruume suurema eraldusvõimega. Suured mahud on olulised kosmoloogia jaoks, universumi suuremahulise struktuuri mõistmiseks ja järgmise põlvkonna suurte vaatlusprojektide kindlate ennustuste tegemiseks. Suur eraldusvõime on oluline simulatsioonis üksikutes galaktikates toimuvate protsesside füüsikaliste mudelite parendamiseks. "
Viimane simulatsioon sai võimalikuks ka tänu ulatuslikule toele, mida pakkusid GCS-i töötajad, kes abistasid uurimisrühma nende kodeerimisega seotud küsimustes. See oli ka ulatusliku koostöö tulemus, mis tõi kokku teadlasi kogu maailmast ja sidus nad vajalike ressurssidega. Ja viimane, kuid mitte vähem tähtis, näitab see, kuidas suurenenud koostöö rakendusuuringute ja teoreetiliste uuringute vahel viib paremate tulemusteni.
Tulevikku vaadates loodab meeskond, et selle viimase simulatsiooni tulemused osutuvad veelgi kasulikumaks kui viimane. Esialgne Illustrise andmeväljaanne omandas üle 2000 registreeritud kasutaja ja selle tulemuseks oli 130 teadusliku uurimuse avaldamine. Arvestades, et see on täpsem ja ajakohasem, loodab meeskond, et see leiab rohkem kasutajaid ja toob kaasa veelgi murrangulisema uurimistöö.
Kes teab? Võib-olla kunagi varem võime luua simulatsiooni, mis kajastaks täieliku täpsusega meie Universumi kujunemist ja arengut. Vahepeal nautige kindlasti seda videot esimesest Illustrise simulatsioonist, mis on meeskonna liikme ja MIT-i füüsiku Mark Vogelsbergeri viisakus:
