Οι ερευνητές δημιουργούν ένα εξαιρετικά ακριβές μοντέλο του Σύμπαντος μας και της εξέλιξής του

Το έργο Illustris χρειάστηκε 5 χρόνια ανάπτυξης λογισμικού και 3 μήνες λειτουργίας σε 8000 επεξεργαστές – αλλά σίγουρα άξιζε τον κόπο – το αποτέλεσμα είναι πραγματικά μνημειώδες! Τώρα, οι ερευνητές έχουν επιτέλους ένα ακριβές μοντέλο της ανάπτυξης του σύμπαντος, το οποίο, αν και είναι τραχύ γύρω από ορισμένες άκρες, εξακολουθεί να συνδυάζεται καλά με τη σημερινή αποδεκτή επιστήμη και μάλιστα κάνει μερικές πολύτιμες προβλέψεις.

Το έργο Illustris

Η συντριπτική πλειοψηφία του Σύμπαντος μας αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια και σκοτεινή ύλη – κάτι που δεν μπορούμε να δούμε άμεσα. Όλα όσα γνωρίζουμε για αυτούς, τα συμπεραίνουμε από έμμεσες παρατηρήσεις. Η δοκιμή αυτού του εκπληκτικού σεναρίου απαιτεί ακριβείς προβλέψεις για το σχηματισμό της δομής στην ορατή ύλη, τα πράγματα που μπορούμε να δούμε – αστέρια, γαλαξίες, μαύρες τρύπες. Οι αστροφυσικοί πιστεύουν ότι αυτά τα ορατά στοιχεία είναι οργανωμένα σε έναν «Κοσμικό Ιστό» από φύλλα, νήματα και κενά, ενσωματωμένα με τις βασικές μονάδες της κοσμικής δομής:τους γαλαξίες.

Βασικά, αυτό που ξεκίνησε να κάνει ο Illustris ήταν να προβάλει ένα σύνολο κοσμολογικών προσομοιώσεων μεγάλης κλίμακας, συμπεριλαμβανομένου του σχηματισμού γαλαξιών – μιας από τις πιο περίπλοκες διαδικασίες στο Σύμπαν. Αυτό ήταν το καλύτερο μοντέλο σχηματισμού γαλαξιών που αναπτύχθηκε μέχρι σήμερα, λαμβάνοντας υπόψη τη διαστολή του σύμπαντος, τη βαρυτική έλξη της ύλης στον εαυτό της, την κίνηση ή την «υδροδυναμική» του κοσμικού αερίου, καθώς και το σχηματισμό άστρων και μαύρων οπών. Το μοντέλο λαμβάνει επίσης υπόψη το γεγονός ότι πολλές συνθήκες άλλαξαν από τις πρώτες μέρες του Σύμπαντος, και το προσθέτει επίσης στη μάχη. Ο προσομοιωμένος όγκος τους περιέχει δεκάδες χιλιάδες γαλαξίες που έχουν συλληφθεί με υψηλή λεπτομέρεια, καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα μαζών, σχημάτων, μεγεθών και ρυθμών σχηματισμού αστεριών και εφαρμόζουν τις ιδιότητες που παρατηρούνται στην πραγματική ζωή.

Αλλά αυτό το μοντέλο δεν είναι μόνο μια προβολή αυτού που ήδη γνωρίζουμε – μπορεί επίσης να μας βοηθήσει να μάθουμε νέα πράγματα. Ωστόσο, το κύριο πρόβλημα εδώ, προτού αρχίσουμε να κάνουμε αφαιρέσεις με βάση αυτό το μοντέλο, είναι να διασφαλίσουμε ότι είναι μια πραγματική αντανάκλαση της πραγματικότητας - και με την τεράστια πολυπλοκότητα και τους αριθμητικούς υπολογισμούς που εμπλέκονται, αυτό είναι δύσκολο να γίνει. Φυσικά, αυτό οδηγεί στην ανάγκη για κάποιου είδους απλοποίηση. Για αρχή, ορισμένες διεργασίες, όπως η γέννηση μεμονωμένων αστεριών, δεν μπορούν να αποτυπωθούν απευθείας σε μια κοσμολογική προσομοίωση. Αλλά ακόμα κι αν κοιτάξετε μόνο τη μεγαλύτερη εικόνα, όλα πρέπει να ταιριάζουν με τα παρατηρούμενα δεδομένα – και ενώ απομένουν ακόμη κάποιες διορθώσεις που πρέπει να γίνουν, στο μεγάλο σχέδιο των πραγμάτων, το Illustris ταιριάζει σχεδόν τέλεια στα πράγματα.

Τα κύρια επιτεύγματα του έργου

Αναπαράγει με επιτυχία ένα ευρύ φάσμα παρατηρήσιμων ιδιοτήτων γαλαξιών και τις σχέσεις μεταξύ αυτών των ιδιοτήτων. Ένα βασικό στοιχείο εδώ είναι ο λεγόμενος «ειδικός ρυθμός σχηματισμού αστεριών» – ο   ρυθμός σχηματισμού νέων άστρων σε έναν γαλαξία, διαιρεμένος με την ποσότητα των ήδη υπαρχόντων αστεριών. ταιριάζει με τις παρατηρούμενες τιμές όχι μόνο για αυτήν την περίοδο, αλλά για όλες τις ηλικίες σε όλη την ιστορία του Σύμπαντος.

Μετρούσε με ακρίβεια την περιεκτικότητα σε αέριο του σύμπαντος και πού βρίσκεται. Επιπλέον, όπου δεν υπάρχουν δεδομένα, το μοντέλο μπορεί να κάνει προβλέψεις για την εξέλιξη του αερίου. Εκτός από μεμονωμένους γαλαξίες, ο Illustris προβλέπει επίσης ότι επί του παρόντος, η πλειονότητα του αερίου (~81%) παραμένει στο «διαγαλαξιακό μέσο» (ο χώρος μεταξύ των γαλαξιών), αλλά ότι αυτό το αέριο περιέχει μόνο μια μειοψηφία (~34%) των μετάλλων που παράγονται μέχρι στιγμής στο σύμπαν.

Ερεύνησε τους «δορυφορικούς γαλαξίες» και τη σύνδεσή τους με την κοσμολογική εξέλιξη. Οι δορυφορικοί γαλαξίες είναι γαλαξίες που περιστρέφονται γύρω από μεγαλύτερους γαλαξίες, όπως ένας πλανήτης περιστρέφεται γύρω από το αστέρι του. Το Illustris μελέτησε επίσης τις αλλαγές στην εσωτερική δομή καθώς οι πληθυσμοί των γαλαξιών εξελίσσονται με τον χρόνο, την επίδραση του αερίου στη δομή της σκοτεινής ύλης και μπορεί ακόμη και να παράγει "ψευδείς παρατηρήσεις".

Για περισσότερες πληροφορίες, φροντίστε να επισκεφτείτε τον ιστότοπό τους (μία από τις καλύτερες παρουσιάσεις που έχω δει ποτέ), ο οποίος περιλαμβάνει επίσης πολλά βίντεο:

1 – Χρονική εξέλιξη μιας περιοχής 10Mpc (μετακινούμενη) εντός του Illustris από την αρχή της προσομοίωσης σε z=0. Η ταινία μεταβαίνει μεταξύ του πεδίου πυκνότητας της σκοτεινής ύλης, της θερμοκρασίας αερίου (μπλε:κρύο, πράσινο:θερμό:λευκό:ζεστό) και της μεταλλικότητας του αερίου.

2 – Πλήρης κύβος προσομοίωσης που δείχνει τη θερμοκρασία της σκοτεινής ύλης και του αερίου σήμερα. Ο κύβος έχει πλευρικό μήκος περίπου 100 Mpc. Το βίντεο δείχνει την πλήρη κατανομή της ύλης προσθέτοντας αργά φέτες τη μία πάνω στην άλλη.

3 – Συνεχής μεγέθυνση από την κλίμακα ολόκληρου του όγκου προσομοίωσης (~100 Mpc) στην κλίμακα ενός μεμονωμένου σπειροειδούς γαλαξία (~10 kpc), τονίζοντας την ποικιλομορφία της δομής σε όλη τη χωρική κλίμακα, το μεγάλο δυναμικό εύρος της προσομοίωσης ( 106 ανά διάσταση) και τη σχέση μεταξύ της σκοτεινής ύλης, του αερίου και των αστεριών.

4 – Χρονική εξέλιξη μιας κυβικής περιοχής 10Mpc (μετακινούμενη) εντός του Illustris, που αποδίδεται από έξω. Οι ταινίες δείχνουν στα αριστερά το πεδίο πυκνότητας της σκοτεινής ύλης και στα δεξιά τη θερμοκρασία του αερίου (μπλε:κρύο, πράσινο:ζεστό:λευκό:ζεστό). Οι γρήγορες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας γύρω από τα ογκώδη φωτοστέφανα οφείλονται στην ακτινοβολική ανάδραση AGN που είναι πιο ενεργή κατά τις φάσεις κβάζαρ. Οι μεγαλύτερες "εκρήξεις" οφείλονται σε ανάδραση σε λειτουργία ραδιοφώνου.

5- Χρονική εξέλιξη τεσσάρων χωριστών υποπεριοχών του όγκου Illustris, από υψηλή μετατόπιση προς το κόκκινο σε z=0, που δείχνει τη θερμοκρασία του αερίου. Κάθε περιοχή έχει πολλά Mpc σε μια πλευρά και η καθεμία λαμβάνει δείγματα διαφορετικής υπερπυκνότητας σε σχέση με τον κοσμικό μέσο όρο, από πολύ υπερβολική (πάνω αριστερά) έως χαμηλή πυκνότητα (αριστερόστροφα).

6 – Χρονική εξέλιξη τεσσάρων χωριστών μεγεθών από υψηλή μετατόπιση προς το κόκκινο σε z=0, σε μια υπερβολικά πυκνή περιοχή 7,5 Mpc σε μια πλευρά. Τα πάνελ δείχνουν αστρικό φως (πάνω αριστερά), πυκνότητα αερίου (πάνω δεξιά), θερμοκρασία αερίου (κάτω αριστερά), μεταλλικότητα αερίου (κάτω δεξιά).

7 – Εξέλιξη του χρόνου από υψηλή μετατόπιση προς το ερυθρό σε z=0, που δείχνει τον σχηματισμό ενός τεράστιου ελλειπτικού «κόκκινου και νεκρού» γαλαξία ως αποτέλεσμα μιας πολλαπλής συγχώνευσης γύρω από το z~1. Τα πάνελ δείχνουν αστρικό φως (αριστερά) και πυκνότητα αερίου (δεξιά) σε μια περιοχή 1 Mpc σε μια πλευρά.