«В астрофізиці ми маємо лише один всесвіт, який ми можемо спостерігати», — каже Марк Фогельсбергер, професор фізики MIT. «За допомогою комп’ютера ми можемо створювати різні всесвіти, які ми можемо перевіряти».
При всій своїй блискучій складності, Чумацький Шлях є досить нічим не примітним у напрямку галактик. Принаймні, так це бачить Марк Фогельсбергер.
«Наша галактика має кілька особливостей, які можуть бути трохи дивовижними, як-от точна кількість структур і супутників навколо неї», — розмірковує Фогельсбергер. «Але якщо ви усереднюєте багато показників, Чумацький Шлях насправді є досить нормальним місцем».
Він повинен знати. Фогельсбергер, щойно отримав посаду доцента на кафедрі фізики Массачусетського технологічного інституту, провів більшу частину своєї кар’єри, відтворюючи народження та еволюцію сотень тисяч галактик, починаючи з самих ранніх моментів існування Всесвіту і до наших днів. Використовуючи потужність суперкомп’ютерів у всьому світі, він створив одні з найточніших теоретичних моделей утворення галактик із зачаровуючими деталями.
Доцент Массачусетського технологічного інституту Марк Фогельсбергер провів більшу частину своєї кар’єри, відтворюючи народження та еволюцію сотень тисяч галактик, починаючи з самих ранніх моментів існування Всесвіту і до наших днів. На цій портретній ілюстрації фон показує топологію потоків газу в масштабі гало навколо однієї системи TNG50. Авторство: Хосе-Луїс Оліварес, Массачусетський технологічний інститут. Фоновий малюнок надано IllustrisTNG Collaboration.
Його моделювання Всесвіту показало, що галактики можуть еволюціонувати в звіринець форм, розмірів, кольорів і скупчень, демонструючи явне різноманіття населення галактик, яке збігається з тим, що астрономи спостерігали у реальному Всесвіті. Використовуючи моделювання як свого роду обчислювальний ролик, вчені можуть перемотати стрічку, щоб детально вивчити фізичні процеси, що лежать в основі формування галактик, а також розподіл темної матерії у Всесвіті.
У Массачусетському технологічному інституті Фогельсбергер продовжує вдосконалювати свої симуляції, відсуваючи їх далі в часі та на більші простори Всесвіту, щоб отримати уявлення про те, як могли виглядати ранні галактики. За допомогою цих симуляцій він допомагає астрономам визначити, які структури телескопи наступного покоління насправді зможуть побачити в ранньому Всесвіті.
Один всесвіт
Фогельсбергер виріс у Хаккенхаймі, невеликому селі з приблизно 2,000 жителів у західній Німеччині, де майже кожна ніч була ідеальною для споглядання зірок.
«Було дуже мало світлового забруднення, і було буквально ідеальне небо», — згадує він.
Коли йому було 10 років, батьки Фогельсбергера подарували йому дитячу книжку, яка містила факти про Сонячну систему, що, на його думку, викликало у нього ранній інтерес до астрономії. Будучи підлітком, він разом із другом створив імпровізовану астрономічну лабораторію і навчився встановлювати телескопи та будувати різні інструменти, один з яких вони створили для вимірювання магнітного поля різних областей Сонця.
Університетські програми Німеччини на той час не передбачали астрономічних ступенів, тому він вирішив отримати диплом з інформатики, інтерес, який він розвивав паралельно з астрономією. Він вступив до Технологічного інституту Калрсруе на два семестри, а потім вирішив перейти до диплому з загальної фізики, який закінчив в університеті Майнца.
Потім він відправився до Мюнхенського університету, де навчився застосовувати методи інформатики до питань астрономії та астрофізики. Його докторська робота там і в Інституті астрофізики Макса Планка передбачала моделювання детальної структури темної матерії та її розподіл у невеликих масштабах у Всесвіті.
Чисельне моделювання, яке він допоміг розробити, показало, що в невеликих масштабах, порівнянних з розмірами Землі, темна матерія може злипатися і рухатися по Всесвіту «потоками», які дослідники вперше змогли кількісно оцінити за допомогою свого моделювання. .
«Мені завжди подобалося дивитися в телескоп як хобі, але використання комп’ютера для експериментів із цілим Всесвітом було просто дуже захоплюючою річчю», – каже Фогельсбергер. «В астрофізиці ми маємо лише цей Всесвіт, який ми можемо спостерігати. За допомогою комп’ютера ми можемо створювати різні всесвіти, які ми можемо перевірити (за допомогою спостережень). Це мене дуже приваблювало».
«Все розвивається»
У 2010 році, отримавши ступінь доктора філософії з фізики, Фогельсбергер відправився до Гарвардського університету на постдоку в Центрі астрофізики. Там він перенаправив свої дослідження на видиму матерію та на моделювання утворення галактик у Всесвіті.
Більшу частину свого постдока він витратив на створення того, що зрештою буде Illustris — високодеталізоване та реалістичне комп’ютерне моделювання формування галактик. Моделювання починається з моделювання умов раннього Всесвіту, приблизно через 400,000 13.8 років після Великого вибуху. Звідси Illustris симулює всесвіт, що розширюється протягом XNUMX мільярдів років еволюції, досліджуючи шляхи, за допомогою яких газ і матерія гравітують і конденсуються, утворюючи зірки, чорні діри та галактики.
«Якщо ви запустите одну з цих симуляцій від початку до кінця на настільному комп’ютері, це займе пару тисяч років», — каже Фогельсбергер. «Отже, нам довелося розділити цю роботу між десятками тисяч комп’ютерів, щоб досягти розумного часу роботи близько шести місяців».
Він і його колеги проводили моделювання на суперкомп’ютерах у Франції, Німеччині та Сполучених Штатах, щоб відтворити еволюцію галактик у кубічному об’ємі Всесвіту розміром 350 мільйонів світлових років — найбільше моделювання Всесвіту, коли-небудь розроблене на той час.
Початковий вихід із Illustris мав форму чисел. Фогельсбергер пішов ще далі, щоб передати ці числа у візуальну форму, сконденсувавши надзвичайно складні обчислення в короткі, приголомшливі відео про обертовий куб Всесвіту, що рано розширюється, що проростає насіння закручених галактик.
Фогельсбергер та його колеги опублікував статтю in природа у 2014 році, детально описуючи результати моделювання разом із його візуалізаціями. З тих пір він отримав незліченну кількість запитів на моделювання від вчених, засобів масової інформації та планетаріїв, де візуалізація утворення галактик проектується на куполи у високій чіткості. Симуляції навіть були відзначені у формі a Німецька поштова марка.
У 2013 році Фогельсбергер приєднався до фізичного факультету Массачусетського технологічного інституту, де він пам’ятає, що у нього спочатку були сумніви щодо того, чи зможе він не відставати від «верхівки».
«Я дуже швидко зрозумів, що люди мають великі очікування, але вони також допомагають вам досягти того, чого ви повинні досягти, і відділ надзвичайно підтримує на всіх рівнях», — каже він.
У Массачусетському технологічному інституті він продовжував удосконалювати комп’ютерне моделювання як формування галактик, так і розподілу темної матерії. Нещодавно його група звільнилася Illustris TNG, більш масштабне і детальне моделювання формування галактик. Вони також працюють над новим моделюванням радіаційних полів у ранньому Всесвіті, а також досліджують різні моделі для темної матерії.
«Усі ці симуляції починаються з єдиного всесвіту — нічого, крім гелію, водню та темної матерії», — каже Фогельсбергер. «І коли я спостерігаю, як все розвивається, щоб нагадувати щось на кшталт нашого Всесвіту, це змушує мене задуматися, як далеко ми зайшли з нашим розумінням фізики. Людство існувало недовго; незважаючи на це, ми змогли розробити всі ці теорії та технології, щоб зробити щось подібне. Це досить дивно».
