Zdjęcia NASA
Komputerowe symulacje przeprowadzone w Суперкомпьютерном centrum San Diego, Kalifornia, a także w innych ośrodkach naukowych, pozwoliły przywrócić historię wczesnego etapu naszego Wszechświata
Profesor Michael Norman z laboratorium informatyki astrofizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego opublikował przegląd komputerowych symulacji ewolucji wczesnego Wszechświata, wykonanych w суперкомпьютерном centrum San Diego w ostatnich latach. Praca ta pozwala przywrócić jeden z najbardziej tajemniczych etapów stworzenia — czas, kiedy z chmury gorącego gazu nasz Wszechświat zmieniła się w to, co widzimy teraz.
O tym, jak rozpoczęła się Wszechświata, wiele osób wie z wspaniałej książki Stephena Hawkinga “Krótka historia czasu”. Po Wielkim wybuchu świat stanowił gęste i gorące mash-up z różnych cząstek elementarnych. Za 380 000 lat ta materia ostygła na tyle, że elektrony łączą się z protonami, tworząc atomy wodoru. To wydarzenie nazywa się “rekombinacja”. Świat, w którym każde promieniowanie elektromagnetyczne natychmiast поглощалось, nagle stał się przezroczysty dla światła. Jednak nic szczególnie ciekawego w nim wziąć pod uwagę nie można było — za wyjątkiem отсветов tego samego gorącego gazu, emitować za chwile do rekombinacji. Astronomowie i teraz mogą rejestrować te refleksje, i tworzą tak zwane “relikt promieniowanie”, które zawiera informacje na temat wczesnym dzieciństwie Wszechświata.
Jednak po rekombinacji wszechświat nadal się rozwijać. Gaz zaczął gromadzić się w grudki pod wpływem grawitacji, aż w końcu z niego nie powstały pierwsze gwiazdy — ogromne i bardzo jasne. Zaczęły powstawać pierwsze galaktyki. Ich światło — głównie promieniowanie ultrafioletowe — znów zaczął odrywania elektronów od protonów. Proces ten nazywany jest “реионизацией”.
Okres rozwoju Wszechświata od edukacji pierwszych gwiazd do “реионизации” otrzymał w kosmologii поэтичное nazwę “kosmiczny świt” — Cosmic Dawn. Do końca tego miliarda lat gwiaździste niebo już wyglądało w sumie bardzo podobny do tego, co widzimy teraz u siebie nad głowami.
Niestety, obserwować ten etap rozwoju kosmosu astronomom na razie nie na siłę. Mogą one rejestrować i badać relikt promieniowanie, które zawiera informacje na temat Wszechświata młodszy 380 000 lat, a także promieniowanie najdalszych galaktyk — kosmiczny teleskop Hubble widzi je w tym momencie, gdy Wszechświat był niewiele starszy od miliarda lat, czyli na samym końcu ery “kosmicznego świtu. Jednak o tym, co działo się w tym samym ciekawym okresie, kiedy niebo po raz pierwszy zajaśniała światłem gwiazd — obserwacje astronomiczne na razie nic powiedzieć nie mogą, i kosmologów polegają tylko na komputerowych symulacji.
Dorosnąć razem z komputerami
Aby odtworzyć wczesne etapy w historii Wszechświata, w końcu lat 1990-tych został opracowany program komputerowy Enzo — otwarty kod, w przyszłości zaawansowany tysięcy naukowców i amatorów-entuzjastów.
Robi to w przybliżeniu tak: bierze sześciennych objętość przestrzeni, wypełnionej gazem, i rozwiązuje równania, określające, jak ten gaz się zachowywać. Wtedy, w 1990 roku, wydajność komputerów pozwalało rozwiązać te zadania tylko bardzo przybliżone. Jednak od końca lat 1990-tych działał “Prawo Moore’ a dla superkomputerów”: wydajność komputerów удваивалось co 18 miesięcy. Kalkulacja pokazuje, że w ciągu 18 lat od czasu opublikowania pierwszych programów Enzo obliczenia miały przyspieszyć 4000 razy. W rzeczywistości, według szacunków profesora Normana, rozwój iść trochę szybciej, niż przewiduje prawo Moore ‘ a, i przyspieszenie wyniosło około 10 000 razy. Tymczasem rozwijała się i samo oprogramowanie Enzo. W efekcie do tej pory udało się obliczyć wszystkie wydarzenia, które doprowadziły do powstania naszego Wszechświata, z niespotykaną dokładnością.
Profesor Norman pokazuje możliwości metody, oferując porównać rzeczywisty obraz odległej galaktyki, uzyskane za pomocą teleskopu Hubble ‘ a, z komputerowym przepowiedni, jak miała by wyglądać ta galaktyka — raczej odpowiednią ilość gazu, przez miliardy lat эволюционировавший przez prawa fizyki. Zdjęcia są prawie identyczne z jedynym wyjątkiem: symulacja komputerowa bogatsze w detale, a uzyskane z teleskopu obraz bardziej rozmyty (wszystkie zaś chodzi o obiekcie, posiadającym wskaźnik czerwonego przesunięcia z=15, czyli światło jego był emituje w momencie, gdy Wszechświat był 15 razy mniej niż teraz).
Karłowate galaktyki i czarne dziury
Symulacja komputerowa pomogła odzyskać wiele ciekawych cech ewolucji Wszechświata. Początkowo chmury wodoru zgromadzonych osadników i dały początek pojedynczym, bardzo masywny (setki razy cięższy od Słońca) i jasne gwiazdy. Wśród takich gwiazd powstały pierwsze ciężkie elementy, litu i berylu. Jednak gwiazdy-olbrzymy żyli długo, i w chwili ich śmierci urodzili się i rozprzestrzeniły się po kosmosie — wszystkie pierwiastki aż do żelaza. Te elementy udział w tworzeniu nowej generacji gwiazd.
Profesor Norman wyjaśnia, że istnieją one gwiazdy pierwszej generacji mogą powstawać do tej pory w małych galaktyk, gdzie jest dużo ciemnej materii, aby schłodzić chmury helu i wodoru. Jednak w warunkach, gdy gazy są zjonizowanego świetle już istniejących gwiazd, wynikiem ewolucji takiej chmury nie będzie narodziny gwiazd, a grawitacyjna upadek w сверхмассивную czarną dziurę.
Istnienie metalowych zanieczyszczeń pozwala tworzyć gwiazdy, które będą znacznie mniejsze, ale większa niż armia gwiazdy pierwszej generacji. Na tym etapie powstają obiekty, które można już nazwać galaktykami — skupiska ciemnej materii, gwiazdek i wzbogaconego metalami gazu. Galaktyki te mniej tych, co obserwujemy teraz: intensywne promieniowanie młodych gwiazd rozprasza gaz z obszarów aktywnego formowania się gwiazd. To właśnie promieniowanie takich galaktyk i doprowadzić do końca proces “реионизации” — na tym erę “kosmicznego świtu” można uznać za zakończone. O tym, co się stało dalej, możemy dowiedzieć się, po prostu obserwując w teleskopy dalekich krańców Wszechświata.
Jaki jest praktyczny sens takich badań? Według profesora Normana, głównym ich celem jest zadowolenie naukowej ciekawości. Inny cel — weryfikacja i uszczegółowienie praw fizyki: porównanie wyników symulacji komputerowej i obserwowanych obiektów we Wszechświecie pozwala robić wnioski o tym, jak dokładne są przesłanki leżące w oparciu o modele. Symulacje pozwalają również wyjaśniać i interpretować przyszłe obserwacje astronomów.
Są wreszcie trzeci argument: podobne badania popychają jak rozwój techniki komputerowej, jak i rozwój nowego oprogramowania. Pamiętajmy, że rozwój internetu zaczęło się od tworzenia sieci ARPANET, przeznaczonej wyłącznie dla potrzeb badań naukowych. Do jakich przyszłych technologiczne przełomy doprowadzą wysiłki ludzi zajmującymi komputerowa symulacja wczesnym Wszechświecie, aż do przewidzenia. Oczywiście tylko, że ciekawość naukowców leży w oparciu o rozwoju technologii, i taka sytuacja utrzyma się w przyszłości.