21.11.2018
PL EN
19.06.2018 aktualizacja 19.06.2018
Marek Matacz
Marek Matacz

Cyfrowy kosmos

źródło: IllustrisTNG collaboration. Wizualizacja intensywności fal rozchodzących się w kosmicznym gazie wokół zapadających się struktur ciemnej materii źródło: IllustrisTNG collaboration. Wizualizacja intensywności fal rozchodzących się w kosmicznym gazie wokół zapadających się struktur ciemnej materii

Gwiazdy, galaktyki, czarne dziury, a nawet cały Wszechświat... naukowcy starają się je odtworzyć w krzemowych procesorach. Informacji o budowie Kosmosu, których astronomowie nie uzyskaliby z pomocą obserwacji, dostarczają coraz szybsze komputery.

Ateuri to imię żyjącego w VIII w., znanego z militarnych umiejętności japońskiego przywódcy i wojownika. Równie skutecznie, jak on odpierał ataki najeźdźców - tak NS-05 “ATERUI II” ma radzić sobie z pokonywaniem wyzwań astronomii. Tym razem mowa o nowym superkomputerze, uruchomionym niedawno w Japońskim Narodowym Obserwatorium Astronomicznym w mieście Ōshū – tym samym rejonie, gdzie dawniej żył legendarny wódz.

Maszyna należy do rodziny komputerów Cray XC50 i jest obecnie najszybszym urządzeniem na świecie przeznaczonym do symulacji astrofizycznych. "Nowy `teleskop` astronomii teoretycznej właśnie otworzył oczy" - mówi prof. Eiichiro Kokubo z japońskiego Centrum Astronomii Obliczeniowej (CfCA).

Moc obliczeniowa przekraczająca 3 petaflopy pozwoli komputerowi zmierzyć się z zadaniami, które były poza zasięgiem jego poprzedników. Będzie mógł na przykład obliczyć wzajemne oddziaływania grawitacyjne pomiędzy 200 miliardami gwiazd w Drodze Mlecznej, zamiast łączyć pojedyncze gwiazdy w grupy w celu uproszczenia obliczeń. Dzięki temu będzie mógł stworzyć np. wysokiej rozdzielczości model naszej galaktyki, symulacje wnętrz umierających gwiazd czy narodzin samego Wszechświata.

Astronomia komputerowa to młoda, ale wyjątkowo prężnie rozwijająca się dziedzina. Doskonale uzupełnia ona dwa pozostałe filary astronomii - obserwacje i teorie matematyczne. Jak pokazują kolejne dokonania specjalistów z tej dziedziny, przed jej wnikliwymi, cyfrowymi oczami nie ukryją się nie tylko gwiazdy czy galaktyki, ale także czarne dziury czy ciemna materia. Moc tej techniki doskonale ilustruje opublikowane w tym roku dokonanie badaczy z Instytutu Badań Teoretycznych w Heidelbergu i innych ośrodków w Niemczech oraz USA.

Międzynarodowy zespół zaprezentował najdokładniejszy jak dotąd informacji model Wszechświata ujętego jako całość. Symulacja nazwana Illustris: The Next Generation pokazuje np., jak powstają i ewoluują galaktyki, jak czarne dziury kształtują rozkład ciemnej materii, jak ciężkie pierwiastki są tworzone i rozprowadzane po Kosmosie, czy jak rodzą się pola magnetyczne.

„Kiedy obserwujemy galaktyki z pomocą teleskopu, możemy zbadać tylko ich ograniczoną liczbę” - o jednym z ujętych w modelu problemów mówi jeden z autorów programu dr Shy Genel. „Używając tej symulacji możemy śledzić wszystkie parametry wszystkich tych galaktyk. Możemy sprawdzać nie tylko to, jak galaktyka wygląda, ale prześledzić całą historię jej ewolucji” - opowiada badacz. W ten sposób można np. sprawdzić, jak wyglądała Droga Mleczna w czasie powstawania Ziemi, czy jak zmieni się w przyszłości.

Cała symulacja obejmuje model Wszechświata w kształcie sześcianu o krawędzi długiej na miliard lat świetlnych, w którym znajdują się miliony galaktyk.

Program pokazał np., jak z udziałem gazu i ciemnej materii galaktyki powstają i jak tworzą większe skupiska. Model ten przyniósł wyniki bardzo podobne do uzyskanych w bezpośrednich obserwacjach Wszechświata.

W innym projekcie naukowcy wykorzystują nowy symulator do badania udziału centralnych czarnych dziur w życiu podobnych do drogi mlecznej galaktyk. Badacze tłumaczą, że w świecących jasno galaktykach pełnych formujących się gwiazd w pewnym momencie ich ewolucji dochodzi do nagłej zmiany i w galaktykach takich, dążących już do śmierci, zaczynają dominować stare, ciemniejsze gwiazdy.

„Jedynym obiektem fizycznym, który może wygasić formowanie się gwiazd w dużych spiralnych galaktykach, są supermasywne czarne dziury znajdujące się w ich centrach” - wyjaśnia dr Dylan Nelson z Instytutu Astronomicznego Maxa Plancka w Heidelbergu. „Superszybkie strumienie tworzone przez te grawitacyjne pułapki osiągają 10 proc. prędkości światła i oddziałują na gigantyczne systemy gwiezdne, które są miliardy razy większe od stosunkowo niewielkich samych czarnych dziur” - mówi naukowiec.

Model wspiera też pracę astronomów stosujących bardziej tradycyjne metody. Jako przykład jego twórcy podają obserwacje formowania się galaktyk. Według obecnych teorii najpierw powstają bowiem małe galaktyki, które następnie łączą się w większe. Liczne kolizje często wręcz rozrywają niektóre z galaktyk i rozsiewają ich gwiazdy po orbitach wokół większych galaktyk powstałych z połączenia mniejszych. Powinno to z kolei poskutkować powstaniem słabego święcącego tła wokół nich. Jednak ze względu na niewielką jasność tło takie bardzo trudno było zaobserwować. Symulator może tutaj pomóc, ponieważ pokazał astronomom, czego dokładnie mają szukać.

Tymczasem specjaliści od komputerowych symulacji przygotowują się na erę jeszcze szybszych komputerów, które mogą się pojawić już w niedalekiej przyszłości. Program stworzony na Uniwersytecie Johanna Wolfganga Goethego we Frankfurcie we Frankfurcie pozwala na analizę fal grawitacyjnych, które mogą powstać np. w wyniku kolizji czarnych dziur. Wymaga to kolosalnej liczby obliczeń niezbędnych do rozwiązania opisujących takie fale równań Einsteina. Program nazwany ExaHyPe ma być do tego zdolny, pracując na komputerach, których moc obliczeniowa zamiast w petaflopach będzie liczona w eksaflopach. Autorzy programu wyjaśniają, że taki tysiąc razy szybszy komputer będzie wykonywał tyle operacji arytmetycznych na sekundę, ile sztuk owadów żyje na Ziemi, i będzie przetwarzał podobną ilość informacji, co ludzki mózg.

mat/

Copyright © Fundacja PAP 2018