Zrobili wirtualny Wszechświat. Można usłyszeć początek czasu
To nie jest zwykła animacja kosmosu. Nowa symulacja łączy fizykę, superkomputery i dźwięk, by pokazać ewolucję galaktyk od bardzo wczesnego Wszechświata do dziś.
Zespół astronomów i astrofizyków stworzył serię symulacji COLIBRE, które mają być najbardziej realistycznym jak dotąd cyfrowym obrazem tego, jak galaktyki rodziły się i zmieniały od bardzo wczesnego Wszechświata do dziś. Najbardziej efektowny element projektu polega jednak na tym, że część danych zamieniono w dźwięk. Dzięki temu można nie tylko oglądać rozwój galaktyk, ale też usłyszeć wybrane procesy fizyczne zachodzące w ich wnętrzu. To oczywiście nie jest dosłowny dźwięk Wielkiego Wybuchu, tylko naukowa sonifikacja danych, ale i tak robi ogromne wrażenie.
Wcześniejsze symulacje miały poważny problem, a mianowicie za gorący Wszechświat
Jednym z najważniejszych powodów, dla których COLIBRE budzi takie zainteresowanie, jest to, że uwzględnia fizykę, z którą wcześniejsze duże symulacje długo sobie po prostu nie radziły. W wielu starszych modelach gaz wewnątrz galaktyk nie mógł schładzać się poniżej około 10 000 kelwinów, czyli temperatury wyższej niż temperatura powierzchni Słońca. Problem polegał na tym, że modelowanie jeszcze chłodniejszego gazu było zbyt złożone obliczeniowo. Tyle że prawdziwe gwiazdy rodzą się właśnie w dużo chłodniejszym gazie. COLIBRE włącza dodatkowe procesy fizyczne i chemiczne potrzebne do bezpośredniego modelowania takiego zimnego ośrodka międzygwiazdowego.
Bez zimnego gazu trudno wiarygodnie opisać narodziny gwiazd, strukturę galaktyk i to, jak materia naprawdę przepływa przez kosmiczne dyski, halo i obłoki. Dotąd część wielkich symulacji dobrze opisywała duże skale, ale miała mniej realistyczny silnik w samym wnętrzu galaktyk. COLIBRE próbuje tę lukę zasypać.
Ten pył wszystko zmienia
Drugim brakującym wcześniej składnikiem był kosmiczny pył. To mogą być drobne ziarna, ale ich rola jest ogromna. Zespół projektu podkreśla, że pył pomaga tworzyć cząsteczki wodoru, które dominują w zimnym gazie galaktyk, osłania materię przed silnym promieniowaniem ultrafioletowym i bardzo mocno wpływa na to, jak galaktyki wyglądają w teleskopach. Pył pochłania światło ultrafioletowe i optyczne gwiazd, a potem wypromieniowuje energię w podczerwieni. Jeśli ktoś chce realistycznie porównywać symulację z prawdziwymi obserwacjami, nie może tego składnika pomijać.
COLIBRE modeluje pył bezpośrednio. Dzięki temu symulowane galaktyki zaczynają przypominać te obserwowane nie tylko pod względem samej masy czy liczby gwiazd, ale również wyglądu i zachowania w różnych zakresach promieniowania.
Wirtualny Wszechświat zaczął przypominać prawdziwy
Autorzy projektu twierdzą, że po dodaniu zimnego gazu, pyłu i bardziej realistycznych przepływów napędzanych przez gwiazdy oraz czarne dziury, standardowy model kosmologiczny znów bardzo dobrze zgadza się z obserwacjami. To ważny wniosek, bo po pierwszych wynikach z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) pojawiły się głosy, że część bardzo wczesnych galaktyk może być zbyt masywna, by łatwo zmieścić się w klasycznym obrazie ewolucji Wszechświata. COLIBRE pokazuje zgodność modelu standardowego z obserwacjami, kiedy kluczowe procesy fizyczne zostaną opisane bardziej realistycznie.
To nie znaczy oczwywiście, że wszystkie problemy zniknęły. Zespół wyraźnie zaznacza, że symulacje nie przewidują np. tzw. małych czerwonych kropek (Little Red Dots) odkrytych przez JWST, które mogą być zalążkami supermasywnych czarnych dziur. COLIBRE zakłada bowiem, że takie zalążki już istnieją, a nie modeluje samego procesu ich powstawania. To oznacza, że choć model jest dużo lepszy, nadal nie zamyka wszystkich pytań o młody Wszechświat.
Można to nie tylko zobaczyć, ale też usłyszeć
Najciekawszy element projektu to sonifikacja, czyli zamiana części danych na dźwięk. W filmach COLIBRE dźwięk ma kodować dodatkowe informacje fizyczne i pomagać lepiej wyczuć, co dzieje się w galaktykach. James Trayford, który odpowiadał za model pyłu i sonifikację wizualizacji, tłumaczy, że dzięki temu można słyszeć zmiany w takich procesach jak narodziny gwiazd, wzrost czarnych dziur czy silne wypływy energii w przestrzeń.
W filmach sonifikowanych dźwięk opisuje tempo akrecji na czarną dziurę, tempo powstawania gwiazd oraz energię wypływów gazu. Te trzy zjawiska są reprezentowane odmiennie – rytmicznie, muzycznie i teksturalnie – tak, by dało się je odróżnić. W jednym z filmów stereo odpowiada nawet stronie lewej i prawej w wizualizowanym przekroju przez symulację. To nie jest więc muzyka z kosmosu, tylko dodatkowa warstwa naukowej informacji.
Po co w ogóle dodawać dźwięk do kosmologii?
Na pierwszy rzut oka może to wyglądać jak atrakcyjna ciekawostka popularyzatorska, ale twórcy projektu podkreślają, że chodzi o coś znacznie więcej. Dźwięk może pomóc szybciej wychwytywać zmiany i relacje, które na samym obrazie nie zawsze rzucają się w oczy. Sonifikacja ma też wartość dostępnościową, bo otwiera część danych na inne sposoby odbioru, a przy okazji pomaga budować intuicję co do tego, jak wzajemnie wpływają na siebie procesy zachodzące w galaktykach.
To dość ciekawy moment dla astronomii, bo coraz częściej nie chodzi już wyłącznie o ładne zdjęcie, ale o tworzenie środowiska, w którym badacz może eksplorować dane na kilka sposobów naraz – przez obraz, interaktywne mapy, suwaki porównawcze i właśnie dźwięk. W przypadku tak złożonych modeli Wszechświata to może być nie tylko efektowne, ale też zwyczajnie użyteczne.
No dobra, ale ile to wszystko kosztowało?
Bardzo dużo – przede wszystkim czasu i mocy obliczeniowej. Największa symulacja wymagała 72 mln godzin CPU, a cały model rozwijano przez niemal 10 lat. Obliczenia prowadzono z użyciem kodu SWIFT na superkomputerze COSMA8 w Institute for Computational Cosmology na Durham University, działającym w ramach brytyjskiej infrastruktury DiRAC. Większość symulacji zakończono w 2025 r., ale część najwyższych rozdzielczości nadal jeszcze trwa.
Przeczytaj także:
To dobrze pokazuje skalę przedsięwzięcia. COLIBRE nie jest jednym programem, który ktoś odpalił na klastrze na weekend. To wieloletni projekt międzynarodowego zespołu z Europy, Australii i USA, budowany jak nowe laboratorium naukowe, tylko że zamiast szkła, laserów i próżni ma kod, algorytmy i gigantyczną moc obliczeniową.
