Οι ερευνητές προσομοιώνουν εκατομμύρια εικονικά σύμπαντα για να μελετήσουν το σχηματισμό άστρων

Οι ερευνητές στράφηκαν σε έναν τεράστιο υπερυπολογιστή - με το όνομα «UniverseMachine» - για να μοντελοποιήσουν το σχηματισμό άστρων και γαλαξιών. Στη διαδικασία, δημιούργησαν 8 εκατομμύρια «εικονικά σύμπαντα» με σχεδόν 10¹4 γαλαξίες.

Το να πούμε ότι η προέλευση και η εξέλιξη των γαλαξιών και των αστεριών που φιλοξενούν ήταν ένα αίνιγμα που οι επιστήμονες προσπαθούσαν να εξερευνήσουν εδώ και δεκαετίες είναι η απόλυτη υποτίμηση.

Στην πραγματικότητα, η επιθυμία να κατανοήσουμε πώς σχηματίζονται τα αστέρια και γιατί συγκεντρώνονται με τον τρόπο που κάνουν, προϋπάρχει της επιστήμης, της θρησκείας και πιθανώς του ίδιου του πολιτισμού. Όσο οι άνθρωποι μπορούσαν να σκέφτονται και να συλλογίζονται —πολύ πριν μάθουμε τι είναι «αστέρι» ή «γαλαξίας»— κοιτάζαμε τους ουρανούς με την επιθυμία να γνωρίσουμε τη φύση του.

Τώρα γνωρίζουμε περισσότερα από ποτέ, αλλά οι ουρανοί και η δημιουργία τους εξακολουθούν να κρύβουν μυστήρια για εμάς. Η παρατήρηση πραγματικών γαλαξιών μπορεί να προσφέρει στους ερευνητές μόνο ένα «στιγμιότυπο» για το πώς εμφανίζονται σε μια στιγμή. Ο χρόνος είναι απλώς πολύ τεράστιος και υπάρχουμε για πολύ σύντομο ξόρκι για να παρατηρήσουμε τους γαλαξίες καθώς εξελίσσονται.

Τώρα μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα στράφηκε σε προσομοιώσεις υπερυπολογιστών για να μας φέρει πιο κοντά σε μια απάντηση για αυτά τα πιο αρχαία ερωτήματα.

Οι αστρονόμοι έχουν χρησιμοποιήσει τέτοιες προσομοιώσεις υπολογιστή για πολλά χρόνια για να αναπτύξουν και να δοκιμάσουν μοντέλα γαλαξιακής δημιουργίας και εξέλιξης — αλλά λειτουργεί μόνο για έναν γαλαξία τη φορά — αποτυγχάνοντας έτσι να παράσχει μια πιο «καθολική» εικόνα.

Για να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο, ο Peter Behroozi, επίκουρος καθηγητής στο Παρατηρητήριο UA Steward, και η ομάδα του δημιούργησαν εκατομμύρια διαφορετικά σύμπαντα σε έναν υπερυπολογιστή. Κάθε σύμπαν είχε προγραμματιστεί να αναπτύσσεται με ένα ξεχωριστό σύνολο φυσικών θεωριών και παραμέτρων.

Ως εκ τούτου, η ομάδα ανέπτυξε τον δικό της υπερυπολογιστή - τον UniverseMachine, όπως τον αποκαλούν οι ερευνητές - για να δημιουργήσει ένα εικονικό «πολύσύμπαν» με περισσότερα από 8 εκατομμύρια σύμπαντα και τουλάχιστον 9,6 x 10¹3 γαλαξίες.

Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να λύσουν μια μακροχρόνια ιδιορρυθμία του σχηματισμού γαλαξιών — γιατί οι γαλαξίες παύουν να σχηματίζουν νέα αστέρια όταν η πρώτη ύλη — το υδρογόνο — δεν έχει ακόμη εξαντληθεί.

Η μελέτη φαίνεται να δείχνει ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, η σκοτεινή ύλη και οι σουπερνόβα είναι πολύ λιγότερο αποτελεσματικές στον σχηματισμό άστρων από ό,τι θεωρείται σήμερα.

Τα ευρήματα της ομάδας — δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society — αμφισβητεί πολλές από τις τρέχουσες ιδέες που υποστηρίζει η επιστήμη για το σχηματισμό γαλαξιών. Συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα προτρέπουν μια επανεξέταση του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται οι γαλαξίες, του τρόπου με τον οποίο γεννιούνται αστέρια και του ρόλου της σκοτεινής ύλης — της μυστηριώδους ουσίας που αποτελεί το 80% του περιεχομένου της ύλης του σύμπαντος.

Behroozi, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. λέει:"Στον υπολογιστή, μπορούμε να δημιουργήσουμε πολλά διαφορετικά σύμπαντα και να τα συγκρίνουμε με το πραγματικό, και αυτό μας επιτρέπει να συμπεράνουμε ποιοι κανόνες οδηγούν σε αυτό που βλέπουμε."

Αυτό που κάνει τη μελέτη αξιοσημείωτη είναι ότι είναι η πρώτη φορά που κάθε σύμπαν που προσομοιώνεται περιέχει 12 εκατομμύρια γαλαξίες, που εκτείνονται σε μια χρονική περίοδο 400 εκατομμυρίων ετών μετά τη «μεγάλη έκρηξη» μέχρι σήμερα. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν αυτοσυνεπή σύμπαντα που μοιάζουν πολύ με το δικό μας.

Δοκιμάζοντας το πολυσύμπαν — πώς υποτίθεται ότι λειτουργεί το σύμπαν

Για να συγκριθεί κάθε σύμπαν με το πραγματικό σύμπαν, το καθένα υποβλήθηκε σε μια σειρά δοκιμών που αξιολόγησαν την εμφάνιση των προσομοιωμένων γαλαξιών που φιλοξενούν σε σύγκριση με αυτούς στο πραγματικό σύμπαν.

Οι κοινές θεωρίες για το πώς οι γαλαξίες σχηματίζουν αστέρια περιλαμβάνουν μια πολύπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ του ψυχρού αερίου που καταρρέει υπό την επίδραση της βαρύτητας σε πυκνούς θύλακες που δημιουργούν αστέρια. Καθώς συμβαίνει αυτό, άλλες διεργασίες ενεργούν για να εξουδετερώσουν το σχηματισμό αστεριών.

Για παράδειγμα, πιστεύουμε ότι οι περισσότεροι γαλαξίες φιλοξενούν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα τους. Η ύλη που σχηματίζει δίσκους συσσώρευσης γύρω από αυτές τις μαύρες τρύπες και τελικά «τροφοδοτείται» σε αυτές, εκπέμπει τεράστιες ενέργειες. Ως εκ τούτου, αυτά τα συστήματα λειτουργούν σχεδόν ως «κοσμικός πυρσός» που θερμαίνει το αέριο και το εμποδίζει να κρυώσει αρκετά ώστε να καταρρεύσει σε αστρικά φυτώρια.

Οι εκρήξεις σουπερνόβα - η μαζική έκρηξη των αστεριών που πεθαίνουν - συμβάλλουν επίσης σε αυτή τη διαδικασία. Επιπλέον, η σκοτεινή ύλη παρέχει το μεγαλύτερο μέρος της βαρυτικής δύναμης που δρα στην ορατή ύλη σε έναν γαλαξία — επομένως, τραβάει κρύο αέριο από το περιβάλλον του γαλαξία και το θερμαίνει στη διαδικασία.

Ο Behroozi εξηγεί αναλυτικά:«Καθώς επιστρέφουμε νωρίτερα και νωρίτερα στο σύμπαν, θα περιμέναμε ότι η σκοτεινή ύλη θα είναι πιο πυκνή και επομένως το αέριο θα γίνεται όλο και πιο ζεστό.

"Αυτό είναι κακό για τον σχηματισμό άστρων, επομένως πιστεύαμε ότι πολλοί γαλαξίες στο πρώιμο σύμπαν θα έπρεπε να είχαν σταματήσει να σχηματίζουν αστέρια εδώ και πολύ καιρό."

Αλλά αυτό που βρήκε η ομάδα ήταν το αντίθετο.

Ο Behroozi λέει:"Οι γαλαξίες ενός δεδομένου μεγέθους ήταν πιο πιθανό να σχηματίσουν αστέρια με υψηλότερο ρυθμό, αντίθετα με την προσδοκία."

Λάμψη των κανόνων με περίεργα σύμπαντα

Για να ταιριάξει με παρατηρήσεις πραγματικών γαλαξιών, η ομάδα έπρεπε να δημιουργήσει εικονικά σύμπαντα στα οποία συνέβαινε το αντίθετο — σύμπαντα στα οποία οι γαλαξίες συνέχισαν να γεννούν αστέρια για πολύ περισσότερο.

Αν οι ερευνητές είχαν δημιουργήσει σύμπαντα με βάση τις τρέχουσες θεωρίες σχηματισμού γαλαξιών - σύμπαντα στα οποία οι γαλαξίες σταμάτησαν να σχηματίζουν αστέρια νωρίς - αυτοί οι γαλαξίες εμφανίζονταν πολύ πιο κόκκινοι από τους γαλαξίες που βλέπουμε στον ουρανό.

Οι γαλαξίες εμφανίζονται κόκκινοι για δύο βασικούς λόγους. Εάν ο γαλαξίας σχηματίστηκε νωρίτερα στην ιστορία του σύμπαντος, η κοσμική διαστολή - η ροή Hubble - σημαίνει ότι θα απομακρύνεται από εμάς πιο γρήγορα, προκαλώντας σημαντική επιμήκυνση στο μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπει μετατοπίζοντάς το στο κόκκινο άκρο του ηλεκτρομαγνητικού φάσμα. Μια διαδικασία που αναφέρεται ως redshift.

Επιπλέον, ένας άλλος λόγος για τον οποίο ένας παλαιότερος γαλαξίας μπορεί να φαίνεται κόκκινος είναι εγγενής σε αυτόν τον γαλαξία και όχι ένα εξωτερικό φαινόμενο όπως η μετατόπιση στο κόκκινο. Εάν ένας γαλαξίας έχει σταματήσει να σχηματίζει αστέρια, θα περιέχει λιγότερα μπλε αστέρια, τα οποία συνήθως πεθαίνουν νωρίτερα, και επομένως θα μείνουν με παλαιότερα — πιο κόκκινα — αστέρια.

Ωστόσο, ο Behroozi επισημαίνει ότι δεν είναι αυτό που είδε η ομάδα στις προσομοιώσεις της. Λέει:«Αν οι γαλαξίες συμπεριφέρονταν όπως νομίζαμε και σταματούσαν να σχηματίζουν αστέρια νωρίτερα, το πραγματικό μας σύμπαν θα ήταν εντελώς λάθος χρωματισμένο.

«Με άλλα λόγια, είμαστε αναγκασμένοι να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι οι γαλαξίες σχημάτισαν αστέρια πιο αποτελεσματικά στις πρώτες εποχές από ό,τι πιστεύαμε. Και αυτό που μας λέει αυτό είναι ότι η ενέργεια που δημιουργείται από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες και τα αστέρια που εκρήγνυνται είναι λιγότερο αποτελεσματική στην καταστολή του σχηματισμού άστρων από ό,τι προέβλεπαν οι θεωρίες μας."

Ο υπολογισμός του πολυσύμπαντος είναι τόσο δύσκολος όσο ακούγεται

Η δημιουργία εικονικών συμπάντων άνευ προηγουμένου πολυπλοκότητας απαιτούσε μια εντελώς νέα προσέγγιση που δεν περιοριζόταν από υπολογιστική ισχύ και μνήμη και παρείχε αρκετή ανάλυση για να εκτείνεται η κλίμακα από τα «μικρά» - μεμονωμένα αντικείμενα όπως οι σουπερνόβα - σε ένα σημαντικό κομμάτι του παρατηρήσιμου σύμπαντος.

Ο Behroozi εξηγεί την υπολογιστική πρόκληση που έπρεπε να ξεπεράσει η ομάδα:«Η προσομοίωση ενός μόνο γαλαξία απαιτεί 10 έως την 48η υπολογιστική λειτουργία. Όλοι οι υπολογιστές στη Γη μαζί δεν θα μπορούσαν να το κάνουν αυτό σε εκατό χρόνια. Έτσι, για να προσομοιώσουμε απλώς έναν μόνο γαλαξία, πόσο μάλλον 12 εκατομμύρια, έπρεπε να το κάνουμε διαφορετικά."

Εκτός από τη χρήση υπολογιστικών πόρων στο Ερευνητικό Κέντρο Ames της NASA και στο Leibniz-Rechenzentrum στο Garching της Γερμανίας, η ομάδα χρησιμοποίησε τον υπερυπολογιστή Ocelote στο σύμπλεγμα Υπολογιστών Υψηλής Απόδοσης UA.

Δύο χιλιάδες επεξεργαστές τσάκισαν τα δεδομένα ταυτόχρονα για τρεις εβδομάδες. Κατά τη διάρκεια του ερευνητικού έργου, ο Behroozi και οι συνεργάτες του δημιούργησαν περισσότερα από 8 εκατομμύρια σύμπαντα.

Εξηγεί:«Πήραμε τα τελευταία 20 χρόνια αστρονομικών παρατηρήσεων και τα συγκρίναμε με τα εκατομμύρια εικονικά σύμπαντα που δημιουργήσαμε.

«Συγκεντρώσαμε χιλιάδες πληροφορίες για να δούμε ποιες ταιριάζουν. Έμοιαζε σωστά το σύμπαν που δημιουργήσαμε; Εάν όχι, θα επιστρέψουμε και θα κάνουμε τροποποιήσεις και θα το ελέγξουμε ξανά."

Ο Behroozi και οι συνεργάτες του σχεδιάζουν τώρα να επεκτείνουν τη Μηχανή του Σύμπαντος ώστε να συμπεριλάβει τη μορφολογία μεμονωμένων γαλαξιών και τον τρόπο με τον οποίο τα σχήματά τους εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου.

Ως εκ τούτου, μπορούν να εμβαθύνουν την κατανόησή μας για το πώς προέκυψαν οι γαλαξίες, τα αστέρια και τελικά η ζωή.

Αρχική έρευνα: https://academic.oup.com/mnras/article/488/3/3143/5484868