"V astrofyzice máme pouze jeden vesmír, který můžeme pozorovat," říká Mark Vogelsberger, profesor fyziky MIT. "S počítačem můžeme vytvářet různé vesmíry, které můžeme kontrolovat."
Přes veškerou svou brilantní složitost je Mléčná dráha jako galaxie spíše nenápadná. Alespoň tak to vidí Mark Vogelsberger.
"Naše galaxie má několik prvků, které mohou být trochu překvapivé, jako je přesný počet struktur a satelitů kolem ní," přemítá Vogelsberger. "Ale pokud uděláte průměr z mnoha metrik, Mléčná dráha je vlastně docela normální místo."
Měl by to vědět. Vogelsberger, nově působící docent na katedře fyziky MIT, strávil velkou část své kariéry obnovou zrodu a vývoje stovek tisíc galaxií, počínaje od nejranějších okamžiků vesmíru až po současnost. Využitím výkonu superpočítačů po celém světě vytvořil některé z nejpřesnějších teoretických modelů formování galaxií v fascinujících detailech.
Docent MIT Mark Vogelsberger strávil velkou část své kariéry obnovou zrození a vývoje stovek tisíc galaxií, počínaje od nejranějších okamžiků vesmíru až do současnosti. Na této ilustraci na výšku ukazuje pozadí topologii toků plynu v halo měřítku kolem jediného systému TNG50. Kredit: Jose-Luis Olivares, MIT. Obrázek pozadí s laskavým svolením IllustrisTNG Collaboration.
Jeho simulace vesmíru ukázaly, že galaxie se mohou vyvinout do zvěřince tvarů, velikostí, barev a kup a vykazují jasnou rozmanitost v populaci galaxií, která odpovídá tomu, co astronomové pozorovali ve skutečném vesmíru. Pomocí simulací jako jakési počítačové filmové cívky mohou vědci převinout pásku a podrobně studovat fyzikální procesy, které jsou základem formování galaxií, stejně jako distribuce temné hmoty ve vesmíru.
Na MIT Vogelsberger pokračuje ve zdokonalování svých simulací, posouvá je dále v čase a přes větší rozlohy vesmíru, aby si udělal obrázek o tom, jak mohly rané galaxie vypadat. S těmito simulacemi pomáhá astronomům určit, jaké struktury by mohly teleskopy nové generace skutečně vidět v raném vesmíru.
Jeden vesmír
Vogelsberger vyrostl v Hackenheimu, malé vesnici s asi 2,000 XNUMX obyvateli v západním Německu, kde byla téměř každá noc ideální noc pro pozorování hvězd.
„Bylo tam velmi malé světelné znečištění a byla tam doslova dokonalá obloha,“ vzpomíná.
Když mu bylo 10, Vogelsbergerovi rodiče mu dali dětskou knihu, která obsahovala fakta o sluneční soustavě, což podle něj vyvolalo jeho raný zájem o astronomii. Jako teenager si s kamarádem založili provizorní astronomickou laboratoř a naučili se, jak sestavit dalekohledy a postavit různé přístroje, z nichž jeden zkonstruovali k měření magnetického pole různých oblastí Slunce.
Německé univerzitní programy v té době nenabízely žádné astronomické tituly, a tak se rozhodl pokračovat v diplomu z informatiky, což je zájem, který rozvíjel souběžně s astronomií. Na dva semestry se zapsal na Technologický institut v Kalrsruhe a poté se rozhodl získat diplom z obecné fyziky, který dokončil na univerzitě v Mohuči.
Poté zamířil na univerzitu v Mnichově, kde se naučil aplikovat počítačové techniky na otázky astronomie a astrofyziky. Jeho doktorandská práce tam a na Institutu Maxe Plancka pro astrofyziku zahrnovala simulaci detailní struktury temné hmoty a toho, jak je distribuována v malých měřítcích po celém vesmíru.
Numerické simulace, které pomohl vyvinout, ukázaly, že v malých měřítcích srovnatelných s velikostí Země se temná hmota může shlukovat a pohybovat se vesmírem v „proucích“, které vědci dokázali poprvé kvantifikovat prostřednictvím svých simulací. .
„Vždy mě bavilo dívat se dalekohledem jako koníček, ale používat počítač k experimentům s celým vesmírem bylo prostě velmi vzrušující,“ říká Vogelsberger. „V astrofyzice máme pouze tento jeden vesmír, který můžeme pozorovat. Pomocí počítače můžeme vytvářet různé vesmíry, které můžeme kontrolovat (pozorováním). To mě velmi lákalo."
“Vše se vyvíjí”
V roce 2010, poté, co Vogelsberger získal doktorát z fyziky, zamířil na Harvardskou univerzitu jako postdoktorand v Centru pro astrofyziku. Tam přesměroval svůj výzkum na viditelnou hmotu a na simulaci formování galaxií ve vesmíru.
Většinu svého postdoktorského studia strávil budováním toho, co nakonec bylo Illustris — vysoce detailní a realistická počítačová simulace formování galaxií. Simulace začíná modelováním podmínek raného vesmíru, přibližně 400,000 13.8 let po Velkém třesku. Odtud Illustris simuluje rozpínající se vesmír během jeho XNUMX miliard let trvajícího vývoje a zkoumá způsoby, kterými plyn a hmota gravitují a kondenzují za vzniku hvězd, černých děr a galaxií.
„Pokud byste jednu z těchto simulací spustili od začátku do konce na stolním počítači, trvalo by to několik tisíc let,“ říká Vogelsberger. "Takže jsme museli tuto práci rozdělit mezi desítky tisíc počítačů, abychom se dostali na rozumnou dobu běhu kolem šesti měsíců."
On a jeho kolegové provedli simulace na superpočítačích ve Francii, Německu a Spojených státech, aby reprodukovali vývoj galaxií v krychlovém objemu vesmíru o průměru 350 milionů světelných let – největší simulaci vesmíru, která kdy byla v té době vyvinuta.
Počáteční výstup z Illustris měl podobu čísel. Vogelsberger šel ještě o krok dále, aby převedl tato čísla do vizuální podoby, zhustil enormně složité výpočty do krátkých, ohromujících videí rotující krychle raného rozpínajícího se vesmíru, klíčící semena vířících galaxií.
Vogelsberger a jeho kolegové publikoval referát in Příroda v roce 2014 podrobně popisuje výstup simulace spolu s jejími vizualizacemi. Od té doby obdržel bezpočet žádostí o simulace od vědců, médií a planetárií, kde byly vizualizace formování galaxií promítány na kupole ve vysokém rozlišení. Simulace byly dokonce připomenuty ve formě a Německá poštovní známka.
V roce 2013 nastoupil Vogelsberger na fakultu fyziky na MIT, kde si pamatuje, že měl počáteční pochybnosti o tom, zda dokáže držet krok s „top of the top“.
„Velmi rychle jsem si uvědomil, že lidé mají vysoká očekávání, ale také vám pomáhají dosáhnout toho, čeho chcete dosáhnout, a oddělení je extrémně podporuje na všech úrovních,“ říká.
Na MIT pokračoval ve zdokonalování počítačových simulací jak pro formování galaxií, tak pro distribuci temné hmoty. Nedávno jeho skupina vydala Illustris TNG, větší a podrobnější simulace formování galaxií. Pracují také na nové simulaci radiačních polí v raném vesmíru a také na průzkumu různé modely temné hmoty.
„Všechny tyto simulace začínají jednotným vesmírem – ničím jiným než heliem, vodíkem a temnou hmotou,“ říká Vogelsberger. „A když sleduji, jak se vše vyvíjí, aby se podobalo něčemu jako náš vesmír, nutí mě to přemýšlet, jak daleko jsme se dostali s naším chápáním fyziky. Lidstvo existuje jen krátkou dobu; přesto jsme dokázali vyvinout všechny tyto teorie a technologie, abychom něco takového dokázali. Je to docela úžasné.”
