מאז ימי קדם, פילוסופים ומלומדים ביקשו לקבוע כיצד החלה הקיום. עם הולדת האסטרונומיה המודרנית, מסורת זו המשיכה והולידה את התחום המכונה קוסמולוגיה. ובעזרת מחשב-על, מדענים מסוגלים לבצע הדמיות המראות כיצד הכוכבים והגלקסיות הראשונים נוצרו ביקום שלנו והתפתחו במשך מיליארדי שנים.
עד לאחרונה המחקר הנרחב והשלם ביותר היה הדמיית "אילוסטוס", שבחנה את תהליך היווצרות הגלקסיה במהלך 13 מיליארד השנים האחרונות. באותו צוות, שביקש לשבור את השיא שלהם, החל לבצע הדמיה המכונה "אילוסטריס, הדור הבא" או "IllustrisTNG". הסיבוב הראשון של הממצאים הללו שוחרר לאחרונה, וכמה נוספים צפויים לעקוב.
ממצאים אלה הופיעו בשלושה מאמרים שפורסמו לאחרונה באתר הודעות חודשיות של החברה המלכותית לאסטרונומיה. צוות אילוסטריס מורכב מחוקרים ממכון היידלברג למחקרים תיאורטיים, מכוני מקס-פלאנק לאסטרופיסיקה ואסטרונומיה, מכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, אוניברסיטת הרווארד והמרכז לאסטרופיסיקה חישובית בניו יורק.
באמצעות מחשב-העל הייזל חן במרכז המחשוב הגבוה-ביצועים שטוטגרט (HLRS) - אחד משלושת מתקני מחשוב העל הגרמני ברמה העולמית המרכיבים את מרכז גאוס למחשבי-על (GCS) - הצוות ביצע הדמיה שתעזור לאמת ולהרחיב על הידע הניסיוני הקיים אודות השלבים המוקדמים ביותר ביקום - כלומר מה קרה מ- 300,000 שנה לאחר המפץ הגדול ועד ימינו.
כדי ליצור הדמיה זו, הצוות שילב משוואות (כמו תיאוריית היחסות הכללית) ונתונים מהתצפיות המודרניות לקוביה חישובית מסיבית המייצגת חתך גדול של היקום. עבור תהליכים מסוימים, כגון היווצרות כוכבים וגידול חורים שחורים, החוקרים נאלצו להסתמך על הנחות המבוססות על תצפיות. לאחר מכן הם השתמשו במודלים מספריים כדי להפעיל את היקום המדומה הזה.
בהשוואה לסימולציה הקודמת שלהם, IllustrisTNG כלל 3 יקומים שונים בשלוש רזולוציות שונות - כאשר הגדול שבהם נמדד מיליארד שנות אור (300 מגה-פארק) לרוחב. בנוסף, צוות המחקר כלל חשבונאות מדויקת יותר לשדות מגנטיים, ובכך שיפר את הדיוק. בסך הכל, ההדמיה השתמשה ב -24,000 ליבות במחשב העל Hazel Hen במשך 35 מיליון שעות ליבה.
כפי שהסביר פרופ 'ד"ר וולקר ספרינגל, פרופסור וחוקר במכון היידלברג למחקרים תיאורטיים והחוקר הראשי בפרויקט, בהודעה לעיתונות של מרכז גאוס:
"שדות מגנטיים מעניינים מסיבות שונות ומגוונות. הלחץ המגנטי המופעל על גז קוסמי יכול לעיתים להיות שווה ללחץ תרמי (טמפרטורה), כלומר אם תזניחו זאת, תחמיץ את ההשפעות הללו ובסופו של דבר תוכלו לפגוע בתוצאות שלכם. "
הבדל עיקרי נוסף היה הכללת הפיזיקה המעודכנת של החור השחור על בסיס מסעות תצפית אחרונים. זה כולל עדויות המדגימות מתאם בין חורים שחורים סופר-מסיביים (SMBH) לבין התפתחות גלקטית. בעיקרו של דבר, ידוע ש- SMBHs שולחים כמות עצומה של אנרגיה בצורת קרינה וסילוני חלקיקים, שיכולים להשפיע באופן מעצר על היווצרות הכוכבים בגלקסיה.
למרות שהחוקרים בהחלט היו מודעים לתהליך זה במהלך ההדמיה הראשונה, הם לא הובילו בחשבון כיצד הוא יכול לעצור את היווצרות הכוכבים לחלוטין. על ידי הכללת נתונים מעודכנים על שדות מגנטיים ופיזיקה של חור שחור בסימולציה, הצוות ראה מתאם גדול יותר בין הנתונים לתצפיות. לכן הם בטוחים יותר בתוצאות ומאמינים שהיא מייצגת את ההדמיה המדויקת ביותר עד כה.
אך כפי שהסביר ד"ר דילן נלסון - פיזיקאי עם מכון מקס פלאנק לאסטרונומיה וחבר llustricTNG - סביר להניח שהדמיות עתידיות יהיו מדויקות עוד יותר, בהנחה שההתקדמות במחשבי-על ממשיכה:
"משאבי זיכרון ועיבוד מוגברים במערכות הדור הבא יאפשרו לנו לדמות נפחים גדולים של היקום ברזולוציה גבוהה יותר. נפחים גדולים חשובים לקוסמולוגיה, הבנת המבנה היקיוני של היקום וקביעת תחזיות נחרצות לדור הבא של פרויקטים תצפיתיים גדולים. רזולוציה גבוהה חשובה לשיפור המודלים הפיזיים שלנו של התהליכים המתרחשים בתוך גלקסיות בודדות בהדמיה שלנו. "
סימולציה אחרונה זו התאפשרה גם הודות לתמיכה נרחבת שניתנה על ידי צוות ה- GCS, שסייעו לצוות המחקר בעניינים הקשורים לקידוד שלהם. זו הייתה גם תוצאה של מאמץ שיתופי פעולה מאסיבי, שהפגיש חוקרים מרחבי העולם וזיווג אותם עם המשאבים הדרושים להם. אחרון חביב, הוא מראה כיצד שיתוף פעולה מוגבר בין מחקר יישומי למחקר תיאורטי מוביל לתוצאות טובות יותר.
במבט קדימה, הצוות מקווה שתוצאות הסימולציה האחרונה הזו יתבררו כיעילות אפילו יותר מהפעם האחרונה. המהדורה המקורית של Illustris צברה למעלה מ -2,000 משתמשים רשומים והביאה לפרסום של 130 מחקרים מדעיים. בהתחשב בכך שמדובר במדויק ומעודכן יותר, הצוות מצפה שהוא ימצא יותר משתמשים ויביא למחקר פורץ דרך עוד יותר.
מי יודע? אולי ביום מן הימים, אנו עשויים ליצור הדמיה שתופסת את התהוות והתפתחות היקום שלנו בדיוק מדויק. בינתיים, הקפד ליהנות מהסרטון הזה של סימולציה Illustris הראשונה, באדיבות איש הצוות ופיזיקאי MIT מארק פוגלברגר:
