A modern csillagászatban a hatalmas, részben szerelt tükrökkel rendelkező teleszkópok, óriási digitális kamerák és kifinomult adatfeldolgozó rendszerek alkotják az észlelés alapját. De ez csak az észlelés oldalát mutatja. A megfigyelt adatok megértéséhez saját, speciális megközelítésre van szükség.
Tartalomjegyzék
A szimulációk kora pedig egyre előrehaladottabb, és egyre részletesebb kozmikus modelleket futtatnak a világ leggyorsabb számítógépein. A kozmológusok ezekkel a modellekkel próbálnak mindent megérteni a csillagképződés folyamatától az Univerzum tágulásáig.
A JWST és a Roman űrteleszkóp a legképzettebb eszközök közé tartozik, különösen infravörös képességeikkel fényképezik a kozmosz kezdeti időszakát. Miközben a NGRST csak most indul, a JWST már évek óta szolgál meglepő felfedezésekkel. Ebben a kontextusban születik meg egy új szimuláció a CfA-tól, aminek Lumina a neve, és amely a legnagyobb és legaprólékosabb részletezettséggel futó modell a jelenkorban.
Lumina projekt bemutatása és a CfA szerepe
A kutatások központja a Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, ahonnan a Lumina projekt egy nagyléptékű sugárzás-hidrodinamikai szimulációként kerül bemutatásra. A modell önállóan követi a közeg, a galaxisok és az aktív galaktikus magok evolúcióját a HI, HeI és HeII reionizációig, z = 3-ig.
A projekt vezető szerzője Oliver Zier, aki a CfA The Theory and Computation intézetének ösztöndíjas kutatója. A dolgozat hangsúlyozza, hogy a Lumina megőrzi a korábbi IllustrisTNG projekt néhány alapvető jegyét, miközben a nagyobb térfogat jobb statisztikákat ad a ritka objektumokról, a nagyobb környezetről és a kozmikus varianciáról, így lehetővé teszi a megfigyeléseket előre modellező eljárásokat a HI és HeII topológiák összekapcsolására a fejlődő galaxis- és AGN-populációkkal.
A kutatók kiemelik, hogy a Lumina célja a hidrogén és a hélium reionizációjának összefonódó fejlődésének önálló, koherens követése egy hatalmas térben, és hogy a közeg átalakulásának megértéséhez szükséges fizikai folyamatokat részletesen feltérképezzék.
A kozmikus Noontól a jövő felé
A z = 3-as redshift visszatekintés körülbelül 11,7 milliárd évvel ezelőtti, vagyis a Nagy Bumm után kb. 2,1 milliárd évvel. Ez a kozmikus Noon időszak, amikor a csillagképződés a csúcson volt, és ekkor volt a kvazárok legaktívabbak az univerzumban. Ugyanezen időszak végén ér véget a Helium II reionizáció is, amely hagyományosan az IGM utolsó fontos fázisának számít.
A kutatók szerint a JWST megfigyelései által gerjesztett kérdésekre válaszokat keresve a Lumina lehetőséget ad arra, hogy részletes előrejelzéseket tegyenek az első déli fényforrások hatására. Ahhoz, hogy megértsük, mit látunk ezzel a távcsővel, elengedhetetlen a teóriák részletes előrejelzéseinek megfogalmazása, és a szimulációk életre keltése a videókon keresztül, ahogy a modellek megjelennek.
A kutatók úgy vélik, hogy a Lumina segítségével nyomon követhető, hogyan változott a közeg ionizációs állapota a galaxisok és AGN-ek fejlődésével összhangban, és ez a megközelítés lehetővé teszi, hogy a galaxispopulációk tekintetében közvetlenebb kapcsolatot mutassunk a kozmikus reionizáció alakulásával.
A Lumina térfogati előnyei és a korábbi modellekhez képest
A Lumina térfogata jelentősen nagyobb, mint a korábbi modelleké: egy 500 Mpc oldalú dobozban dolgozik, ami körülbelül 1,5 milliárd fényév oldalanként. Ez lényegesen nagyobb, mint a korábbi IllustrisTNG TNG 300 verziója, és jobb statisztikákat ad a ritka objektumokról és a kozmikus varianciáról. Ennek köszönhetően a jövőbeni megfigyelésekhez vezető előrejelzések is megbízhatóbbak lehetnek.
A Lumina részletesen modellezi a baryonok sűrűségének eloszlását, így a galaxisok és a fényforrások által kibocsátott sugárzás közvetlenül összekapcsolható a közeg állapotával és a belső folyamatokkal. A nagy térfogat lehetővé teszi a kozmikus környezet fontos összefüggéseinek feltárását és a modellben rejlő összefüggések megértését.
Egy ilyen méretű és részletességű modell lehetővé teszi a HI és HeII topológiák jobb összekapcsolását a fejlődő galaxispopulációkkal és AGN-ekkel, így a megfigyelések és a elméleti modellek közti átjárhatóság fokozódik.
A Helium II reionizáció részletei és az első eredmények
A Lumina első Helium II reionizációs eredményei jó egyezést mutatnak a megfigyelésekkel: a HeII reionizáció kezdete z körülbelül 6-nál van, középpontja z ≈ 4-nél, és befejezése z = 3-nál következik be, maradék részvízió pedig kevesebb mint 1 százalék. Ezzel a modell visszaigazolást ad arra, hogy önállóan is képes nyomon követni a Helium II megújulását a hidrogén reionizációjával együtt.
A kutatók szerint a Helium II reionizációját döntően a kemény sugárzású AGN-ok hozzák, és a Lumina képes lekövetni a térbeli topológiák alakulását az idő során. Az első eredmények tehát megerősítik, hogy a modellek képesek visszaadni a közeg fizikai folyamatait a kozmosz korai korszakában.
Az eredmények összhangban állnak a jelenlegi megfigyelési korlátokkal, és azt mutatják, hogy a szimuláció és a megfigyelések közösen vezethetnek előre a kozmikus reionizáció megértéséhez, és a közeg reálfolyamatait is jobban megismerhetjük.
A számítási teljesítmény és a jövőbeli kilátások
A z = 3-ig terjedő evolúció megvalósításához a Lumina több mint 15 000 grafikus processzort használ a Oak Ridge Nemzeti Laboratórium Frontier nevű szuperszámítógépén. Ez a hatalmas számítási kapacitás teszi lehetővé a kozmikus volumen részletes vizsgálatát és a finom részletek rögzítését.
A Frontier a világ egyik leggyorsabb szuperszámítógépe, a sorban az El Capitan és a Line Shine után. A modern architektúra és a nagyszámú processzor biztosítja, hogy a szükséges adatok gyorsan és hatékonyan feldolgozásra kerüljenek.
A kezdeti He II reionizációs eredmények rendkívül jó egyezést mutatnak a megfigyelésekkel, ez pedig megerősíti, hogy a Lumina megbízhatóan képes lekövetni a folyamatot. A kutatók szerint ez a modell egy erőteljes eszköz a kozmikus reionizáció mélyebb megértéséhez.
A kutatók véleménye és a jövő kilátásai
A kutatóközösség egyik társszerzője, Aaron Smith, az UT Dallas fizika tanszékének docense szerint rendkívül szerencsésnek érzik magukat, hogy olyan szimulációkat fejlesztenek, amelyek lehetővé teszik a hidrogén és a hélium alakulásának részletes nyomon követését egy ekkora térben, miközben a galaxisok és más fényes objektumok is felderülnek. Ezáltal a kozmikus transzformáció központi elemei láthatóvá válnak.
Smith szerint először sikerült összekapcsolni a galaxispopulációk fejlődését a reionizációs állapotokkal egy olyan nagy léptékű modellben, amely ugyanakkor megőrzi a galaxisok és fényforrások részletes felbontását. Ez a kombináció kulcsfontosságú arra, hogy a jövő megfigyeléseit jobban ki lehessen értelmezni.
A kutatók úgy ítélik meg, hogy a Lumina a kozmikus reionizáció vizsgálatának egyik értékes eszköze marad a jövőben, és a nemzetközi együttműködések révén továbbfejlesztik a modelleket annak érdekében, hogy még mélyebben megértsük a világegyetem korai fegyverzetét és szerkezetét.
© : Oliver Zier, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian
Forrás: Universetoday.com
