Ponad 15 tys. procesorów odtwarzało narodziny kosmosu. Oto efekty

Ponad 15 tys. procesorów graficznych, setki miliardów wirtualnych cząstek i pierwsze 2 mld lat historii Wszechświata. Naukowcy uruchomili na amerykańskim superkomputerze Frontier symulację LUMINA, która pokazuje, jak z kosmicznych ciemności wyłaniały się galaktyki, a ich światło zmieniało otaczającą je materię. Nie jest to animacja Wielkiego Wybuchu ani wierna kopia całego kosmosu. To ogromny eksperyment komputerowy, którego przewidywania będzie można zestawiać z obserwacjami teleskopów Jamesa Webba i Nancy Grace Roman.

Projekt LUMINA przygotował zespół badaczy m.in. z Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian oraz Massachusetts Institute of Technology. Pracami kierował Oliver Zier. Wyniki przedstawiono w badaniu opublikowanym w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Symulacja zaczyna się około 45 mln lat po Wielkim Wybuchu, a kończy po mniej więcej 2 mld lat kosmicznej ewolucji. Obejmuje obszar sześcienny o boku około 1,6 mld lat świetlnych, liczonym we współrzędnych uwzględniających rozszerzanie się Wszechświata. W jego wnętrzu badacze śledzili zachowanie ponad 432 mld elementów reprezentujących ciemną materię i gaz.

Komputer musiał jednocześnie obliczać przyciąganie grawitacyjne, przepływ gazu, powstawanie galaktyk i rozchodzenie się promieniowania. Światło pierwszych gwiazd nie tylko docierało do kolejnych rejonów przestrzeni, ale samo zmieniało warunki, w których rodziły się następne obiekty.

Obliczenia przeprowadzono na superkomputerze Frontier w Oak Ridge National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Naukowcy wykorzystali 1884 węzły obliczeniowe, 105 504 rdzenie CPU i 7536 akceleratorów AMD Instinct MI250X. Każdy z nich zawiera dwa niezależne układy obliczeniowe, co daje łącznie 15 072 jednostki GPU.

W szczytowym momencie model zajmował około 600 TB pamięci operacyjnej, a pojedynczy pełny zapis jego stanu wymagał około 250 TB przestrzeni. To pokazuje, dlaczego podobnych obliczeń nie da się wykonać na zwykłym komputerze, nawet wyposażonym w bardzo wydajną kartę graficzną.

Zaledwie kilka temu pisaliśmy o superkomputerze Aurora, który śledził 13,4 bln cząstek ciemnej materii. LUMINA to odrębny projekt. Tam celem było badanie śladów kosmicznej inflacji, tutaj nacisk położono na oddziaływanie gwiazd, czarnych dziur i promieniowania z materią w młodym Wszechświecie.

Galeria: 5 zdjęć

Galeria zdjęć

1/5

Około 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu kosmos ochłodził się na tyle, że elektrony mogły łączyć się z jądrami atomów. Powstał neutralny wodór, a później nastała epoka bez gwiazd. Kiedy pierwsze galaktyki zaczęły świecić, ich promieniowanie ultrafioletowe ponownie odrywało elektrony od atomów wodoru. Proces ten astronomowie nazywają rejonizacją.

LUMINA pozwoliła prześledzić, jak obszary zjonizowanego gazu rozszerzały się i łączyły, stopniowo zmieniając wielkie połacie przestrzeni. Symulacja uwzględnia również późniejszą rejonizację helu, wymagającą bardziej energetycznego promieniowania. Według modelu istotną rolę odegrały tu aktywne jądra galaktyk, zasilane przez supermasywne czarne dziury.

Wcześniej trudno było połączyć w jednym tak rozległym modelu powstawanie galaktyk i skutki promieniowania, które emitują. Opisywaliśmy już symulacje FLAMINGO, pozwalające odtwarzać ewolucję galaktyk i wielkoskalowych struktur. LUMINA skupia się na wcześniejszej epoce oraz na tym, jak młody kosmos stopniowo zmieniał swój stan.

Wizualizacje z LUMINY wyglądają widowiskowo, bo widzimy na nich ciemne włókna materii przeplatają się z jasnymi obszarami gazu. Nie są jednak fotografiami przeszłości. To przewidywania wynikające z przyjętych praw fizyki i parametrów modelu, które dopiero trzeba porównywać z obserwacjami.

Takich danych dostarcza już Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. W przyszłości pomoże także Nancy Grace Roman, który ma prowadzić rozległe przeglądy nieba. Pisaliśmy niedawno o programie Roman eXtreme Deep Field, nastawionym na poszukiwanie bardzo wczesnych galaktyk.

Przeczytaj także:

Jeśli symulacja będzie prawidłowo przewidywać rozmieszczenie i właściwości odległych galaktyk, to wzmocni to zaufanie do wykorzystanych modeli. Jeśli obserwacje pokażą coś innego, astronomowie dostaną konkretną wskazówkę, których procesów jeszcze nie rozumiemy. Tak potężne obliczenia są potrzebne nie po to, by zastąpić patrzenie w niebo, lecz by dokładniej odczytać to, co widzą teleskopy.

*Źródło grafiki wprowadzającej: Lumina Simulation / Canva Pro