„Az asztrofizikában csak ez az egyetlen univerzum van, amelyet megfigyelhetünk” – mondja Mark Vogelsberger, az MIT fizikaprofesszora. „Számítógéppel különböző univerzumokat hozhatunk létre, amelyeket ellenőrizhetünk.”
Ragyogó összetettsége ellenére a Tejútrendszer meglehetősen figyelemre méltó, ahogy a galaxisok haladnak. Legalábbis Mark Vogelsberger így látja.
„A galaxisunknak van néhány olyan jellemzője, amelyek kissé meglepőek lehetnek, például a körülötte lévő struktúrák és műholdak pontos száma” – töpreng Vogelsberger. "De ha sok mérőszámot átlagolsz, a Tejút valójában egy meglehetősen normális hely."
Tudnia kellene. Vogelsberger, az MIT Fizikai Tanszékének újonnan kinevezett docense, pályafutása nagy részét azzal töltötte, hogy galaxisok százezreinek születését és fejlődését újraélje, a világegyetem legkorábbi pillanataitól kezdve egészen napjainkig. A világ minden táján működő szuperszámítógépek erejének hasznosításával megalkotta a galaxisok kialakulásának legpontosabb elméleti modelljeit, lenyűgöző részletességgel.
Mark Vogelsberger, az MIT docense pályafutása nagy részét galaxisok százezreinek születésének és fejlődésének újraalkotásával töltötte, a világegyetem legkorábbi pillanataitól kezdve egészen napjainkig. Ezen az álló illusztráción a háttér a haloléptékű gázáramlás topológiáját mutatja egyetlen TNG50 rendszer körül. Köszönetnyilvánítás: Jose-Luis Olivares, MIT. Háttérfigura az IllustrisTNG Collaboration jóvoltából.
Az univerzumra vonatkozó szimulációi kimutatták, hogy a galaxisok formák, méretű, színek és halmazok menazsériájává fejlődhetnek, amelyek egyértelmű változatosságot mutatnak a galaxispopulációban, ami megegyezik a csillagászok által a tényleges univerzumban megfigyeltekkel. A szimulációkat egyfajta számítási filmtekercsként használva a tudósok visszatekerhetik a szalagot, hogy részletesen tanulmányozzák a galaxisok kialakulásának hátterében álló fizikai folyamatokat, valamint a sötét anyag eloszlását az univerzumban.
Az MIT-n Vogelsberger továbbra is finomítja szimulációit, és távolabbra tolja őket az időben és az univerzum nagyobb területein, hogy képet kapjon arról, hogyan nézhettek ki a korai galaxisok. Ezekkel a szimulációkkal segít a csillagászoknak meghatározni, hogy a következő generációs távcsövek milyen struktúrákat láthatnak a korai univerzumban.
Egy univerzum
Vogelsberger Hackenheimben nőtt fel, egy körülbelül 2,000 lakosú nyugat-németországi kis faluban, ahol szinte minden éjszaka tökéletes volt a csillagnézésre.
„Nagyon kevés volt a fényszennyezés, és szó szerint tökéletes volt az égbolt” – emlékszik vissza.
Amikor 10 éves volt, Vogelsberger szülei egy gyerekkönyvet adtak neki, amely tényeket tartalmazott a Naprendszerről, aminek tulajdonítja, hogy korán felkeltette érdeklődését a csillagászat iránt. Tinédzserként egy barátjával rögtönzött csillagászati laboratóriumot állítottak fel, és megtanulták, hogyan kell teleszkópokat felállítani és különféle műszereket készíteni, amelyek közül az egyiket a nap különböző régióinak mágneses tereinek mérésére tervezték.
A németországi egyetemi programok akkor még nem kínáltak csillagász végzettséget, ezért úgy döntött, hogy informatikusból szerez diplomát, amely érdeklődése a csillagászással párhuzamosan fejlődött ki. Két félévre beiratkozott a Kalrsruhe Institute of Technology-ra, majd úgy döntött, hogy általános fizikus diplomát szerez, amit a Mainzi Egyetemen szerzett.
Ezután a müncheni egyetemre ment, ahol megtanulta alkalmazni a számítástechnikai technikákat a csillagászat és az asztrofizika kérdéseire. Doktori munkája ott és a Max Planck Asztrofizikai Intézetben a sötét anyag részletes szerkezetének szimulálásával és kis léptékű eloszlásával foglalkozott az univerzumban.
Az általa kidolgozott numerikus szimulációk azt mutatták, hogy a Föld méretéhez hasonló kis léptékben a sötét anyag összegyűlhet, és „folyamokban” mozoghat az univerzumban, amit a kutatóknak először sikerült számszerűsíteniük szimulációikkal. .
„Mindig is szerettem hobbiként távcsövön keresztül nézegetni, de számítógéppel az egész univerzumban kísérletezni nagyon izgalmas dolog volt” – mondja Vogelsberger. „Az asztrofizikában csak ez az egyetlen univerzumunk van, amelyet megfigyelhetünk. Számítógéppel különféle univerzumokat hozhatunk létre, melyeket (megfigyelésekkel) ellenőrizhetünk. Ez nagyon vonzó volt számomra.”
„Minden fejlődik”
2010-ben, miután megszerzett PhD fokozatot fizikából, Vogelsberger a Harvard Egyetemre indult, hogy posztdoktori legyen az Asztrofizikai Központban. Ott átirányította kutatásait a látható anyagra, és a galaxisok kialakulásának szimulálására az univerzumban.
A posztdoktori munkája nagy részét azzal töltötte, hogy megépítse azt, ami végül lesz Illustris — a galaxisképződés rendkívül részletes és valósághű számítógépes szimulációja. A szimuláció a korai univerzum körülményeinek modellezésével kezdődik, körülbelül 400,000 13.8 évvel az Ősrobbanás után. Innentől kezdve az Illustris szimulálja a táguló univerzumot annak XNUMX milliárd éves evolúciója során, és azt kutatja, hogy a gáz és az anyag milyen gravitációval és kondenzálással csillagokat, fekete lyukakat és galaxisokat képez.
"Ha egy ilyen szimulációt az elejétől a végéig futtatna egy asztali számítógépen, az néhány ezer évig tartana" - mondja Vogelsberger. „Tehát ezt a munkát több tízezer számítógép között kellett felosztanunk, hogy elérjük az ésszerű, körülbelül hat hónapos futási időt.”
Ő és kollégái szuperszámítógépeken futtatták le a szimulációkat Franciaországban, Németországban és az Egyesült Államokban, hogy reprodukálják a galaxisok evolúcióját a 350 millió fényév átmérőjű univerzum köbtérfogatán belül – ez a világegyetem valaha kifejlesztett legnagyobb szimulációja.
Az Illustris kezdeti kimenete számok formájában történt. Vogelsberger egy lépéssel tovább ment, hogy ezeket a számokat vizuális formává alakítsa, és a rendkívül bonyolult számításokat rövid, lenyűgöző videókba sűrítette a korai táguló univerzum forgó kockájáról, örvénylő galaxisok magvaiból.
Vogelsberger és munkatársai közzétett egy papírt in Természet 2014-ben, részletezve a szimuláció kimenetét a vizualizációkkal együtt. Azóta számtalan kérést kapott a szimulációkra tudósoktól, médiáktól és planetáriumoktól, ahol a galaxisok kialakulásának vizualizációit nagy felbontásban vetítették ki kupolákra. A szimulációkról még megemlékeztek a formában Német postai bélyeg.
2013-ban Vogelsberger csatlakozott az MIT fizika karához, ahol úgy emlékszik, kezdetben kétségei voltak azzal kapcsolatban, hogy képes-e lépést tartani a „csúcs tetejével”.
„Nagyon hamar rájöttem, hogy az embereknek magasak az elvárásai, de segítenek abban is, hogy elérje azt, amit el kell érnie, és az osztály minden szinten rendkívül segítőkész” – mondja.
Az MIT-nél folytatta a számítógépes szimulációk finomítását mind a galaxisok kialakulásához, mind a sötét anyag eloszlásához. Nemrég megjelent a csoportja Illustris TNG, a galaxisok kialakulásának nagyobb és részletesebb szimulációja. Dolgoznak a korai univerzum sugárzási mezőinek új szimulációján, valamint feltáráson is különböző modellek a sötét anyaghoz.
„Minden szimuláció egy egységes univerzummal kezdődik – semmi más, csak hélium, hidrogén és sötét anyag” – mondja Vogelsberger. „És amikor azt nézem, hogyan fejlődik minden olyasmire, mint a mi univerzumunk, elgondolkodom, meddig jutottunk el a fizika megértésével. Az emberiség rövid ideig létezik; mindazonáltal ki tudtuk fejleszteni ezeket az elméleteket és technológiákat, hogy képesek legyünk valami ilyesmire. Elég elképesztő.”
