Βίντεο: Η μεγαλύτερη προσομοίωση αποκαλύπτει πώς σχηματίστηκαν οι πρώτοι γαλαξίες μετά το Big Bang

Μια εντυπωσιακή εικόνα για το πώς εξελίχθηκε το Σύμπαν κατά τα πρώτα δύο δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) προσφέρει η νέα επιστημονική προσομοίωση με την ονομασία «Lumina», η οποία αποτυπώνει με πρωτοφανή λεπτομέρεια τη δημιουργία των πρώτων γαλαξιών και των κοσμικών δομών.

Το πρωτοποριακό μοντέλο επιτρέπει στους επιστήμονες να παρακολουθήσουν τις πολύπλοκες διεργασίες που διαμόρφωσαν τον πρώιμο Κόσμο, καταγράφοντας τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στη συνηθισμένη ύλη, τη σκοτεινή ύλη και την ακτινοβολία.

Οι εικόνες και τα βίντεο που προκύπτουν από την προσομοίωση αποκαλύπτουν πώς σχηματίστηκαν οι πρώτες μεγάλες δομές του Σύμπαντος.

Λεπτά νήματα σκοτεινής ύλης αλληλεπιδρούν με τα αέρια που κινούνται στο Διάστημα, δημιουργώντας τις συνθήκες για τη γέννηση των πρώτων γαλαξιών.

Παράλληλα, οι ερευνητές μπορούν να μελετήσουν την εξέλιξη στοιχείων όπως το υδρογόνο και το ήλιο, παρακολουθώντας τις φυσικές διεργασίες που οδήγησαν στη σημερινή τους μορφή.

Ο δρ. Άαρον Σμιθ, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ντάλας και συνυπογράφων της επιστημονικής μελέτης, χαρακτήρισε ιδιαίτερα σημαντική τη δυνατότητα που προσφέρει το νέο μοντέλο.

Όπως δήλωσε:

«Νιώθουμε απίστευτα τυχεροί που έχουμε τη δυνατότητα να δημιουργούμε προσομοιώσεις όπως το Lumina.

Για πρώτη φορά, μπορούμε να παρακολουθήσουμε την εξέλιξη του υδρογόνου και του ηλίου μέχρι να αποκτήσουν τη σημερινή τους μορφή, σε μια τόσο τεράστια περιοχή του Σύμπαντος, διατηρώντας παράλληλα την ικανότητα να διακρίνουμε τους γαλαξίες και τα υπόλοιπα φωτεινά αντικείμενα που καθοδήγησαν αυτή τη μεταμόρφωση».

Η μεγαλύτερη προσομοίωση του είδους της

Το Lumina αναπτύχθηκε από επιστήμονες του Κέντρου Αστροφυσικής Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν και ανήκει στην κατηγορία των κοσμολογικών προσομοιώσεων ακτινοβολίας και υδροδυναμικής.

Πρόκειται για ένα σύνθετο υπολογιστικό μοντέλο που συνδυάζει επιστημονικές θεωρίες για τη συμπεριφορά των βασικών συστατικών του Σύμπαντος, επιχειρώντας να αναπαραστήσει την εξέλιξή τους σε βάθος χρόνου.

Το βασικό χαρακτηριστικό που το διαφοροποιεί από προηγούμενες προσπάθειες είναι η τεράστια έκταση που μπορεί να καλύψει, χωρίς να χάνει τη λεπτομέρεια που απαιτείται για τη μελέτη μικρότερων κοσμικών αντικειμένων.

Συγκεκριμένα, αναπαριστά μια κυβική περιοχή του Διαστήματος με πλευρά περίπου 1,5 δισεκατομμυρίου ετών φωτός. Ο όγκος της είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερος από εκείνον των προηγούμενων κορυφαίων προσομοιώσεων αντίστοιχου τύπου.

Το μυστήριο του επαναϊονισμού του ηλίου

Ένα ακόμη σημαντικό επίτευγμα του Lumina είναι ότι επιτρέπει για πρώτη φορά τη μελέτη του επαναϊονισμού του ηλίου σε τόσο μεγάλη κοσμική κλίμακα.

Στα πρώτα στάδια της ιστορίας του, το Σύμπαν αποτελούνταν από μια εξαιρετικά θερμή και πυκνή κατάσταση σωματιδίων και ακτινοβολίας που είχε προκύψει από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Καθώς ο Κόσμος διαστελλόταν και η θερμοκρασία του μειωνόταν, τα ηλεκτρόνια ενώθηκαν με τους ατομικούς πυρήνες, σχηματίζοντας ουδέτερα άτομα.

Εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια αργότερα, όμως, η εμφάνιση των πρώτων άστρων και γαλαξιών άλλαξε ριζικά τις συνθήκες. Τα νέα κοσμικά αντικείμενα παρήγαγαν μεγάλες ποσότητες υπεριώδους ακτινοβολίας, η οποία είχε αρκετή ενέργεια για να απομακρύνει ηλεκτρόνια από τα άτομα υδρογόνου και ηλίου.

Η διαδικασία αυτή ονομάζεται ιονισμός. Καθώς η ακτινοβολία από τα άστρα και τις μαύρες τρύπες που αναπτύσσονταν στα κέντρα των γαλαξιών διαχεόταν στο Διάστημα, οι περιοχές του ιονισμένου ηλίου άρχισαν να μεγαλώνουν και να ενώνονται μεταξύ τους, δημιουργώντας σχηματισμούς που έμοιαζαν με τεράστιες φυσαλίδες.

Με τη βοήθεια του Lumina, οι επιστήμονες μπορούν πλέον να παρακολουθούν αυτή τη διαδικασία μέσα στην προσομοίωση και να εξετάζουν πώς επηρέασε την εξέλιξη του πρώιμου Σύμπαντος.

Χρειάστηκαν περισσότερες από 15.000 GPU

Η δημιουργία ενός τόσο σύνθετου μοντέλου απαίτησε τεράστια υπολογιστική ισχύ. Για την εκτέλεσή του χρησιμοποιήθηκαν περισσότερες από 15.000 μονάδες επεξεργασίας γραφικών (GPU), οι οποίες λειτούργησαν στον υπερυπολογιστή Frontier.

Ο Frontier βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο του Όουκ Ριτζ, στο Τενεσί των ΗΠΑ, και συγκαταλέγεται στους ισχυρότερους υπερυπολογιστές παγκοσμίως.

Η υπολογιστική ισχύς ήταν απαραίτητη ώστε το Lumina να αναπαραστήσει μια τόσο εκτεταμένη περιοχή του Σύμπαντος, διατηρώντας παράλληλα την ακρίβεια που απαιτείται για την παρακολούθηση του σχηματισμού άστρων, γαλαξιών και μαύρων τρυπών.

Πώς βοηθά το τηλεσκόπιο James Webb

Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι προσομοιώσεις όπως το Lumina μπορούν να αποτελέσουν σημαντικό εργαλείο για την αξιολόγηση των θεωριών σχετικά με τη γέννηση και την εξέλιξη του Σύμπαντος.

Ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, δρ. Όλιβερ Ζιρ, από το Κέντρο Αστροφυσικής Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν, υπογράμμισε τη σημασία των νέων παρατηρήσεων από το διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ (JWST).

Όπως ανέφερε:

«Με το διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ (JWST), το πρώιμο Σύμπαν έχει μετατραπεί σε ένα συναρπαστικό νέο πεδίο έρευνας για την αστροφυσική.

Για να κατανοήσουμε όσα παρατηρούμε με αυτό το τηλεσκόπιο, πρέπει να μετατρέψουμε τις θεωρίες μας σε λεπτομερείς προβλέψεις».

Οι προσομοιώσεις επιτρέπουν στους ερευνητές να συγκρίνουν τις θεωρητικές προβλέψεις με όσα καταγράφουν τα σύγχρονα διαστημικά τηλεσκόπια.

Εάν οι παρατηρήσεις του James Webb ή του μελλοντικού διαστημικού τηλεσκοπίου Nancy Grace Roman συμφωνούν με τα αποτελέσματα του Lumina, αυτό θα ενισχύσει την αξιοπιστία των επιστημονικών μοντέλων.

Αντίθετα, σημαντικές αποκλίσεις ανάμεσα στις προβλέψεις και στα πραγματικά δεδομένα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε επανεξέταση ορισμένων από τις σημερινές θεωρίες για τη φύση και την εξέλιξη του Σύμπαντος.