2014.05.09. - Elkészült az első valósághű virtuális univerzum

Minden eddiginél pontosabb hidrodinamikai számításokkal amerikai csillagászoknak sikerült szimulálni az univerzum egy 350 millió fényév oldalhosszúságú kockájának 13 milliárd éves fejlődését.

Az univerzum szerkezeti elemeinek kialakulását vizsgáló korábbi kutatásoknak nagyjából sikerült reprodukálniuk a galaxisok "kozmikus hálóját", nem tudtak azonban számot adni a galaxisok vegyes (elliptikus és spirális) populációjáról, egyrészt a korlátozott számítási teljesítmény és a numerikus pontatlanságok, másrészt a mögöttes fizikai modell hiányosságai miatt. Nem tudták továbbá lekövetni az univerzum egy kicsiny, reprezentatív részében a gáz és a csillagok fejlődését (csillagkeletkezés, szupernóva-robbanások, szupernagy tömegű fekete lyukak, stb.) a jelenlegi epochánál. Mark Vogelsberger (MIT/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) és munkatársai most megjelent tanulmányukban olyan szuperszámítógépes szimulációról számoltak be, melyben sikerült az univerzum egy 106,5 Mpc (kb. 350 millió fényév) élhosszúságú kocka alakú részének fejlődését 13 milliárd éven keresztül nyomon követni. A térrész elegendően nagy volt ahhoz, hogy statisztikailag releváns mennyiségű spirális és elliptikus galaxis alakuljon ki benne, létrehozva a megfigyelhető mintázatokat is, de sikerült reprodukálni a hidrogén nagy léptékű jellemzőit, kis skálákon pedig a galaxisok hidrogén- és fémtartalma is valóságnak megfelelően adódott.

A Vogelsberger által vezetett kutatócsoport, melynek az MIT és a Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics kutatói mellett többek között tagjai voltak a Heidelberg Institute for Theoretical Studies munkatársai is, az általuk öt éven keresztül fejlesztett "Illustris" nevű szoftvert használták a szimulációhoz. A vizsgált reprezentáns térrészt, amely normál és sötét anyagot is tartalmazott, 12 milliárd "pixelre" (elemi cellára) osztották. A szimuláció 8 ezer CPU-n három hónapig futott. Ha ezt egy átlagos asztali számítógéppel kellett volna végrehajtani, a futtatás több mint 2 ezer évig tartott volna. A numerikus szimulációt az Ősrobbanás után 12 millió évvel indították, és mire a jelenhez értek, a kutatók több mint 41 ezer galaxist vehettek számba a vizsgált térrészben. Nagyon fontos, hogy az Illustris a spirális és az elliptikus galaxisokat a valóságnak megfelelő arányban állította elő, de reprodukálta a nagy léptékű szerkezeteket, a galaxishalmazokat, a kozmikus háló buborékjait és az űröket, kis skálákon pedig helyesen adta vissza az egyedi galaxisok kémiai összetételét.

Az Illustris szimulációjából származó pillanatkép, melynek középpontjában a legnagyobb tömegű galaxishalmaz foglal helyet. A kék és bíbor filamentek a sötét anyagot jelzik, ami a normál anyaggal gravitációsan kölcsönhatva segíti a galaxisok és a galaxishalmazok kialakulását. A vörös, narancssárga és fehér buborékok azok a területek, ahol a szupernóva-robbanások és a szupernagy tömegű fekete lyukak kiáramlásai kifele fújják a gázt.
[Illustris Collaboration]

Mivel a fény terjedési sebessége véges, minél messzebb nézünk az univerzumba, annál messzebb tekintünk vissza az időben is. Egy 1 milliárd fényév távolságban lévő galaxist abban az állapotában látunk, amilyen 1 milliárd évvel ezelőtt volt. A Hubble-űrtávcsőhöz hasonló teleszkópok lehetővé teszik, hogy nagyon nagy távolságokban lévő objektumokat vizsgálva szinte a kezdetekig pillantsunk vissza, nem lehet azonban az egyedi galaxisok fejlődését tanulmányozni velük. A kutatócsoport egyik tagja, Shy Genel (CfA) szerint az Illustris - mint egy időgép - erre a problémára is kínál megoldást, mivel a szimuláció közben meg lehet állni és egyedi galaxisokat vagy galaxishalmazokat külön is lehet vizsgálni, megnézve, hogy valójában mi is történik bennük.

Az eredményeket részletező szakcikk a Nature magazin 2014. május 8-i számában jelent meg.

Forrás:

• ScienceDaily 2014.05.07.