Obrazy są kluczem do nowych spostrzeżeń w dziedzinie astrofizyki. Wśród nich znajdują się symulacje kosmicznych zjawisk, które astrofizycy wykorzystują do badania powstawania gwiazd, planet i galaktyk.
Lucio Mayer, profesor astrofizyki z Uniwersytetu w Zurychu (UHZ), jest pełen entuzjazmu: Astrofizyka stoi dziś u progu złotej ery. Nigdy wcześniej nie dysponowaliśmy tak ogromnymi ilościami danych z tak wielu różnych sektorów Wszechświata. Na przykład Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pozwala obserwować bardzo odległe galaktyki w niespotykanej dotąd jakości obrazu. Teleskop dostarcza nowych, zdumiewających odkryć niemal co tydzień – powiedział Mayer. Obserwatorium Square Kilometer Array (SKAO), które powstanie w Australii i Republice Południowej Afryki, jest wciąż w budowie. Ta ogromna sieć teleskopów zbierze więcej danych niż jakikolwiek inny projekt naukowy do tej pory.
Zrozumieć Wszechświat
Nowe informacje przybliżają astrofizykę do jej ostatecznego celu, jakim jest zrozumienie Wszechświata jako całości i w szczegółach – od genezy gwiazd po strukturę kosmosu. Astrofizycy z UHZ, tacy jak Lucio Mayer i Ravit Helled, są w samym środku tego szaleństwa nowych odkryć. Mayer prowadzi badania nad powstawaniem gwiazd i galaktyk, a Helled bada, jak formują się planety. Oboje naukowcy pracują z symulacjami komputerowymi, które umożliwiają modelowanie i analizę powstawania i ewolucji planet, gwiazd i całych galaktyk w czasie.
Symulacje wymagają ogromnej mocy obliczeniowej. W międzynarodowym konkursie zespołowi Mayera udało się zdobyć termin na wykorzystanie komputera LUMI, najpotężniejszego superkomputera w Europie, w Finlandii. Kluczem do sukcesu Mayera jest nowy kod do obliczania zjawisk kosmicznych. Jego opracowanie zajęło prawie siedem lat, opowiada badacz. Nad projektem pracował zespół z Zurychu, Bazylei i Szwajcarskiego Narodowego Centrum Superkomputerów (CSCS) w Lugano, w którego skład wchodzili specjaliści dziedzin z informatyki, nauk obliczeniowych, astrofizyki i kosmologii.
Dzięki superkomputerowi jesteśmy w stanie modelować powstawanie planet, gwiazd, galaktyk – a nawet całego kosmosu – powiedział Mayer. Te symulacje są tak intensywne obliczeniowo, że gdyby były przeprowadzane standardowymi metodami i przy użyciu konwencjonalnej mocy obliczeniowej, zajęłyby lata. Teraz możemy je przeprowadzić w ciągu kilku dni – powiedział z zachwytem Mayer. Nowe procesory graficzne umożliwiają to wszystko. Przeprowadzają one symulacje nawet 1000 razy szybciej niż konwencjonalne komputery wyposażone w klasyczne procesory.
Olbrzymie obłoki pełne gazu
Dzięki większej wydajności możliwe jest modelowanie znacznie bardziej złożonych procesów, takich jak te zachodzące wewnątrz gigantycznych obłoków molekularnych, w których powstają miliony gwiazd. Do tej pory nie było to możliwe – powiedział Mayer – ale będziemy w stanie to zrobić dzięki nowemu kodowi. Obecnie pracujemy nad powiększeniem skali modeli.
Olbrzymie obłoki molekularne są szczególnie ważne, ponieważ to właśnie tam powstają gwiazdy. Jeśli uda nam się zasymulować olbrzymie obłoki molekularne, będziemy mogli zrekonstruować proces formowania się gwiazd w całej galaktyce – powiedział Mayer. Gwiazdy, które powstają i tworzą gromady gwiazd w określonych miejscach galaktyki, odgrywają kluczową rolę w jej życiu. Uwalniają energię, która wpływa na przyszłą ewolucję galaktyki.
Etap symulacji z wykorzystaniem komputera LUMI został niedawno zakończony. Teraz zaczynamy przyglądać się właściwościom obłoków, w których znajdują się gwiazdy – wyjaśnił Mayer. Symulacje pozwalają astrofizykom przyjrzeć się różnym etapom genezy gwiazd i określić ich dokładną kolejność chronologiczną. Widzimy, co się wydarzyło i kiedy – powiedział Mayer. Następnie wyniki są porównywane z danymi z różnych teleskopów, aby sprawdzić, czy wyniki symulacji pokrywają się z tym, co widać we Wszechświecie. Jeśli nie, modele i obliczenia muszą być skorygowane.
Mayer opisuje to jako dialog mający na celu jak najdokładniejsze wyjaśnienie, jak powstały i ewoluowały gwiazdy i galaktyki. Jedna ze spektakularnych symulacji przeprowadzona przez grupę badawczą Mayera przedstawia pierwsze galaktyki i gromady gwiazd, które powstały we Wszechświecie. Symulacja rekonstruuje, jak powstały te galaktyki, niedawno odkryte przez JWST. Symulacje tego typu zajmowały kiedyś miesiące, a czasem lata. Jednak później, jak powiedział Mayer, analiza uzyskanych danych była dość łatwa, ponieważ zbiory danych były niewielkie. Mogliśmy to zrobić na naszych laptopach – mówił. Dziś jest zupełnie inaczej: symulacje działają znacznie szybciej i dostarczają ogromne ilości danych do analizy. Sztuczna inteligencja jest w tym celu specjalnie szkolona i wykorzystywana. Szwajcarskie Centrum Nauki o Danych posiada specjalistyczną wiedzę w zakresie sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego i współpracuje z naszym zespołem w celu opracowania nowych metod analizy wyników symulacji – powiedział Mayer.
Symulacje tego rodzaju to swoiste astrofizyczne eksperymenty laboratoryjne, które próbują odtworzyć i zrekonstruować procesy kosmiczne, ponieważ patrząc na Wszechświat, widzimy jedynie migawkę w czasie, ale nie wiemy, jak do tego doszło. Próbujemy działać wstecz, aby zrozumieć, jak powstały gromady gwiazd, galaktyki, a w zasadzie cały Wszechświat i dlaczego jest on taki, jaki jest dzisiaj – wyjaśnił Mayer. Kiedy porównuję moje symulacje z rzeczywistym Wszechświatem, chciałbym móc powiedzieć: »dobrze, galaktyka, którą mogę stworzyć, faktycznie wygląda tak w rzeczywistości.«
Lucio Mayer bada, jak powstały galaktyki i gwiazdy. Energia gwiazd i gromad gwiazd wpływa na ewolucję galaktyk. Planety formują się wokół gwiazd. Ravit Helled prowadzi badania nad powstawaniem planet. Profesor astrofizyki na Uniwersytecie w Zurychu również pracuje z modelami i symulacjami. Podobnie jak w pracy badawczej Mayera, służą one do wypełniania luk w wiedzy pozostawionych po obserwacjach teleskopowych. Widzimy dyski protoplanetarne i widzimy dzisiejsze planety, ale nie widzimy, co dzieje się pomiędzy – powiedziała Helled.
Helled zwróciła uwagę, że niektóre symulacje generowane przez modele opracowane przez nią samą są mniej spektakularne wizualnie niż te stworzone przez Mayera. Są one jednak szczególnie dobrze przystosowane do zilustrowania podstawowych procesów fizycznych zachodzących podczas formowania się planet. Helled jest równie entuzjastycznie nastawiona co Mayer, gdy opowiada o swoich badaniach. Chce zrozumieć, jak powstają planety i dlaczego różnią się od siebie. Planety powstają z gazu i pyłu w wirujących dyskach protoplanetarnych otaczających młode gwiazdy. Ich różnorodność wynika ze zmiennych warunków początkowych – takich jak temperatura, gęstość, skład i rozkład materii – panujących w dyskach protoplanetarnych.
Małe zmiany o dużym znaczeniu
Niewielkie różnice w warunkach formowania się planet prowadzą do powstawania bardzo różnych planet, co możemy zaobserwować w naszym Układzie Słonecznym, gdzie występują planety skaliste, takie jak Ziemia, Merkury, Wenus i Mars, które są stosunkowo małe i mają twardą, skalistą powierzchnię. Istnieją również gazowe i lodowe olbrzymy – Jowisz, Saturn, Uran i Neptun – zbudowane głównie z wodoru i helu. Nie mają one stałej powierzchni i są znacznie większe niż planety skaliste. Dzięki naszym modelom jesteśmy w stanie pokazać, jak nawet najmniejsze zmiany wpływają na formowanie się planet – wyjaśniła Helled.
W swoich badaniach astrofizyczka dochodzi do kilku niezwykłych wniosków, które podważają istniejące teorie. Na przykład lodowe olbrzymy Uran i Neptun różnią się od siebie znacząco, pomimo wielu podobieństw. Uran ma ekstremalne nachylenie osi i regularne satelity, brak wewnętrznego źródła ciepła i większą gęstość, podczas gdy Neptun ma nieregularne księżyce i posiada wewnętrzne źródło ciepła. Neptun ma również inny rozkład gęstości. Skąd wzięły się te różnice? Dzięki symulacjom Helled odkryła możliwe wyjaśnienie: stworzyła model zderzenia dużego ciała niebieskiego z młodą planetą. Tego rodzaju destrukcyjne zdarzenia mogą wyjaśniać, dlaczego Uran i Neptun tak bardzo się od siebie różnią. W symulacji Urana przyczyną nachylenia osi planety, powstania dysku satelitów i struktury wewnętrznej jest zderzenie czołowe. W przypadku Neptuna zderzenie czołowe mogło wpłynąć na wewnętrzną strukturę planety i jej profil energetyczny.
Rozwiązywanie zagadki
Takie kolosalne zderzenia wyjaśniałyby również, dlaczego Uran i Neptun uformowały się w takiej formie, w jakiej powstały w swoim obecnym miejscu w Układzie Słonecznym, ponieważ zgodnie z teorią klasyczną jest mało prawdopodobne, aby powstały w takiej formie w swojej obecnej pozycji. To pokazuje nam, jak pewne zdarzenia mogą zmienić ewolucję planet i wytrącić je z oczekiwanej orbity – wyjaśniła Helled. I pokazuje, jak satysfakcjonujące może być wykorzystanie symulacji. Wyjaśnienie, jak Uran i Neptun powstały w swojej obecnej formie, było przez lata zagadką i wyzwaniem dla nauki – powiedziała Helled.
To stwierdzenie odnosi się również do Jowisza. Planeta ta ma rozmyte jądro bez wyraźnej granicy. Symulacje Helled sugerują, że również w tym przypadku potężne zderzenie z innym ciałem niebieskim na wczesnym etapie formowania się Jowisza może wyjaśnić to zjawisko. Uderzenie częściowo rozrywa jądro planety, ale następnie regeneruje się ono stosunkowo szybko. Modelowanie symulacji tego rodzaju jest trudnym zadaniem, powiedziała Helled: Procesy kosmiczne są różnorodne i złożone, a istnieje tak wiele parametrów, które należy wziąć pod uwagę. Dlatego przeprowadza się liczne iteracje z różnymi zmiennymi, dodała. Potem widzisz wynik, który czasami jest bardzo zaskakujący. To właśnie tego rodzaju niespodzianki sprawiają, że praca Helled jest fascynująca.
Badania przeprowadzone przez Ravit Helled i Lucio Mayera pokazują, jak nowe, spektakularne wnioski można uzyskać dzięki symulacjom. To naprawdę ekscytujący czas – powiedział Mayer – szczególnie dla studentów. Mówię im, że wybrali świetny moment na prowadzenie badań w tej dziedzinie.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Źródło:
Uniwersytet w Zurychu
Na ilustracji: Ta symulacja pokazuje, jak powstały pierwsze galaktyki we Wszechświecie. Gęste węzły na obrazach to chmury gazu, w których rodzą się gromady gwiazd. Źródło: Lucio Mayer
