Al sinds mensenheugenis proberen filosofen en geleerden te bepalen hoe het bestaan is begonnen. Met de geboorte van de moderne astronomie heeft deze traditie zich voortgezet en is er een gebied ontstaan dat bekend staat als kosmologie. En met behulp van supercomputing kunnen wetenschappers simulaties uitvoeren die laten zien hoe de eerste sterren en sterrenstelsels zich in ons heelal hebben gevormd en zich in de loop van miljarden jaren hebben ontwikkeld.
Tot voor kort was de meest uitgebreide en complete studie de "Illustrus" -simulatie, die het proces van de vorming van sterrenstelsels in de afgelopen 13 miljard jaar onderzocht. Op zoek naar het breken van hun eigen record, begon hetzelfde team onlangs met het uitvoeren van een simulatie die bekend staat als "Illustris, The Next Generation" of "IllustrisTNG". De eerste ronde van deze bevindingen is onlangs bekendgemaakt en naar verwachting zullen er nog een aantal volgen.
Deze bevindingen zijn verschenen in drie artikelen die onlangs in de Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society. Het Illustris-team bestaat uit onderzoekers van het Heidelberg Institute for Theoretical Studies, de Max-Planck Institutes for Astrophysics and for Astronomy, het Massachusetts Institute of Technology, Harvard University en het Center for Computational Astrophysics in New York.
Met behulp van de Hazel Hen-supercomputer in het High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) - een van de drie Duitse supercomputingfaciliteiten van wereldklasse die het Gauss Center for Supercomputing (GCS) omvatten - voerde het team een simulatie uit die zal helpen bij het verifiëren en uitbreiden op bestaande experimentele kennis over de vroegste stadia van het heelal - dwz wat er gebeurde van 300.000 jaar na de oerknal tot heden.
Om deze simulatie te creëren, combineerde het team vergelijkingen (zoals de Theory of General Relativity) en gegevens van moderne waarnemingen tot een enorme computationele kubus die een grote dwarsdoorsnede van het heelal vertegenwoordigde. Voor sommige processen, zoals stervorming en de groei van zwarte gaten, moesten de onderzoekers vertrouwen op aannames op basis van waarnemingen. Vervolgens gebruikten ze numerieke modellen om dit gesimuleerde heelal in beweging te zetten.
Vergeleken met hun vorige simulatie bestond IllustrisTNG uit 3 verschillende universums met drie verschillende resoluties - waarvan de grootste 1 miljard lichtjaar (300 megaparsecs) meet. Bovendien omvatte het onderzoeksteam een nauwkeurigere boekhouding voor magnetische velden, waardoor de nauwkeurigheid werd verbeterd. In totaal gebruikte de simulatie 24.000 kernen op de Hazel Hen-supercomputer voor in totaal 35 miljoen kernuren.
Zoals Prof. Dr. Volker Springel, professor en onderzoeker aan het Heidelberg Instituut voor Theoretische Studies en hoofdonderzoeker van het project, verklaarde in een Gauss Center persbericht:
“Magnetische velden zijn om verschillende redenen interessant. De magnetische druk die wordt uitgeoefend op kosmisch gas kan af en toe gelijk zijn aan thermische (temperatuur) druk, wat betekent dat als je dit negeert, je deze effecten zult missen en uiteindelijk je resultaten in gevaar zult brengen. ”
Een ander groot verschil was de opname van bijgewerkte fysica van zwarte gaten op basis van recente observatiecampagnes. Dit omvat bewijs dat een correlatie aantoont tussen superzware zwarte gaten (SMBH's) en galactische evolutie. In wezen is bekend dat SMBH's een enorme hoeveelheid energie uitzenden in de vorm van straling en deeltjesstralen, die een arresterend effect kunnen hebben op stervorming in een sterrenstelsel.
Hoewel de onderzoekers zich tijdens de eerste simulatie zeker bewust waren van dit proces, hielden ze geen rekening met hoe het de stervorming volledig kan stoppen. Door bijgewerkte gegevens over zowel magnetische velden als fysica van zwarte gaten in de simulatie op te nemen, zag het team een grotere correlatie tussen de gegevens en waarnemingen. Ze hebben daarom meer vertrouwen in de resultaten en zijn van mening dat dit de meest nauwkeurige simulatie tot nu toe is.
Maar zoals Dr. Dylan Nelson - een fysicus bij het Max Planck Institute of Astronomy en een llustricTNG-lid - uitlegde, zullen toekomstige simulaties waarschijnlijk nog nauwkeuriger zijn, ervan uitgaande dat de vooruitgang in supercomputers doorgaat:
“Met meer geheugen en verwerkingsbronnen in systemen van de volgende generatie kunnen we grote volumes van het universum simuleren met een hogere resolutie. Grote volumes zijn belangrijk voor de kosmologie, het begrijpen van de grootschalige structuur van het universum en het maken van stevige voorspellingen voor de volgende generatie grote observatieprojecten. Hoge resolutie is belangrijk voor het verbeteren van onze fysieke modellen van de processen die plaatsvinden in individuele sterrenstelsels in onze simulatie. ”
Deze nieuwste simulatie werd ook mogelijk gemaakt dankzij uitgebreide ondersteuning door de GCS-staf, die het onderzoeksteam assisteerde bij zaken die verband hielden met hun codering. Het was ook het resultaat van een enorme samenwerkingsinspanning die onderzoekers van over de hele wereld samenbracht en ze koppelde met de middelen die ze nodig hadden. Last but not least laat het zien hoe meer samenwerking tussen toegepast onderzoek en theoretisch onderzoek tot betere resultaten leidt.
Vooruitblikkend hoopt het team dat de resultaten van deze nieuwste simulatie nog nuttiger blijken te zijn dan de vorige. De oorspronkelijke gegevensuitgave van Illustris kreeg meer dan 2.000 geregistreerde gebruikers en resulteerde in de publicatie van 130 wetenschappelijke onderzoeken. Aangezien deze nauwkeuriger en actueler is, verwacht het team dat het meer gebruikers zal vinden en zal resulteren in nog meer baanbrekend onderzoek.
Wie weet? Misschien kunnen we ooit een simulatie maken die de vorming en evolutie van ons universum met volledige nauwkeurigheid vastlegt. Geniet ondertussen van deze video van de eerste Illustris-simulatie, met dank aan teamlid en MIT-natuurkundige Mark Vogelsberger:
