Superkomputer Frontier odtworzył narodziny pierwszych galaktyk

Zespół astrofizyków przeprowadził jedną z największych jak dotąd symulacji wczesnego Wszechświata, angażując do obliczeń ponad 15 tysięcy procesorów graficznych oraz setki miliardów wirtualnych cząstek. Projekt o nazwie LUMINA, zrealizowany na amerykańskim superkomputerze Frontier, odtwarza proces formowania się pierwszych galaktyk oraz wpływ ich promieniowania na otaczającą materię. To nie jest wizualizacja Wielkiego Wybuchu ani próba odwzorowania całego kosmosu, lecz rozbudowany eksperyment obliczeniowy, którego rezultaty będą porównywane z danymi z rzeczywistych teleskopów.

Do komputera trafiło niemal pół biliona elementów

Za projektem LUMINA stoi zespół naukowców związanych między innymi z Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian oraz Massachusetts Institute of Technology, a badaniami kierował Oliver Zier. Rezultaty prac opisano w artykule opublikowanym w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Model obejmuje okres od około 45 milionów lat po Wielkim Wybuchu do mniej więcej 2 miliardów lat kosmicznej historii. Symulowana przestrzeń ma kształt sześcianu o boku około 1,6 miliarda lat świetlnych, mierzonym we współrzędnych uwzględniających ekspansję Wszechświata. Wewnątrz tego obszaru naukowcy śledzili losy ponad 432 miliardów elementów odpowiadających ciemnej materii oraz gazowi.

System musiał równolegle liczyć oddziaływania grawitacyjne, dynamikę gazu, proces powstawania galaktyk oraz propagację promieniowania. Blask pierwszych gwiazd nie tylko rozchodził się w przestrzeni, ale aktywnie kształtował środowisko, w którym rodziły się kolejne obiekty.

Ponad 15 tys. układów GPU pracowało nad jednym kosmosem

Obliczenia zrealizowano na superkomputerze Frontier działającym w Oak Ridge National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Do zadania zaprzęgnięto 1884 węzły obliczeniowe, 105 504 rdzenie CPU oraz 7536 akceleratorów AMD Instinct MI250X — każdy z nich składa się z dwóch niezależnych jednostek obliczeniowych, co w sumie daje 15 072 układy GPU.

W momencie największego obciążenia model zajmował około 600 TB pamięci operacyjnej, a samo zapisanie jego pełnego stanu wymagało blisko 250 TB przestrzeni dyskowej. Te liczby pokazują, że tego rodzaju obliczeń nie sposób wykonać na domowym sprzęcie, nawet jeśli wyposażony jest w mocną kartę graficzną.

Niedawno opisywaliśmy inny projekt — superkomputer Aurora, który śledził 13,4 biliona cząstek ciemnej materii. LUMINA to jednak całkowicie inne przedsięwzięcie: tamten model miał badać ślady kosmicznej inflacji, natomiast LUMINA koncentruje się na wzajemnych oddziaływaniach gwiazd, czarnych dziur i promieniowania z materią we wczesnym Wszechświecie.

Pierwsze gwiazdy rozświetliły gaz. Czarne dziury zrobiły resztę

Mniej więcej 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu temperatura kosmosu spadła na tyle, że elektrony zaczęły łączyć się z jądrami atomowymi, tworząc neutralny wodór. Nastąpił okres bez gwiazd, który zakończył się dopiero wraz z pojawieniem się pierwszych galaktyk. Ich promieniowanie ultrafioletowe ponownie zaczęło odrywać elektrony od atomów wodoru — zjawisko to astronomowie określają mianem rejonizacji.

Dzięki symulacji LUMINA udało się prześledzić, jak strefy zjonizowanego gazu stopniowo się powiększały i zlewały ze sobą, przekształcając rozległe obszary przestrzeni kosmicznej. Model obejmuje też kolejny etap — rejonizację helu, wymagającą znacznie bardziej energetycznego promieniowania. Jak wynika z obliczeń, kluczową rolę w tym procesie odgrywały aktywne jądra galaktyk, zasilane przez supermasywne czarne dziury.

Dotychczas trudno było w jednym rozbudowanym modelu równocześnie uwzględnić powstawanie galaktyk i efekty emitowanego przez nie promieniowania. Wcześniej informowaliśmy o symulacjach FLAMINGO, które odtwarzają ewolucję galaktyk oraz wielkoskalowych struktur kosmicznych. LUMINA skupia się natomiast na wcześniejszym etapie historii Wszechświata, pokazując, jak stopniowo zmieniał się stan młodego kosmosu.

Teraz symulację sprawdzą prawdziwe teleskopy

Obrazy wygenerowane przez LUMINĘ robią wrażenie — widać na nich ciemne nitki materii splatające się z rozjaśnionymi obszarami gazu. To jednak nie są zdjęcia minionych wydarzeń, lecz prognozy wynikające z zastosowanych praw fizyki oraz parametrów przyjętych w modelu, które dopiero czekają na zestawienie z rzeczywistymi obserwacjami.

Takie dane już teraz dostarcza Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, a w przyszłości dołączy do niego teleskop Nancy Grace Roman, który ma realizować szerokie przeglądy nieba. Niedawno pisaliśmy o programie Roman eXtreme Deep Field, którego celem jest wykrywanie bardzo odległych, wczesnych galaktyk.

Jeżeli przewidywania symulacji odnośnie rozmieszczenia i właściwości odległych galaktyk okażą się trafne, zwiększy to zaufanie do zastosowanych modeli teoretycznych. Gdyby jednak obserwacje wykazały rozbieżności, naukowcy otrzymają konkretną wskazówkę, które procesy fizyczne wciąż pozostają niejasne. Tego rodzaju potężne obliczenia nie mają zastąpić obserwacji nieba — ich celem jest precyzyjniejsze zrozumienie tego, co rejestrują teleskopy.