Lumina kobler galakser og kosmisk lys i simulation med 432 milliarder elementer

En ny stor computersimulation kobler dannelsen af galakser med det lys, som ændrede gassen mellem dem i universets tidlige historie. Lumina er præsenteret i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 26. oktober og samme dag fremhævet af MIT. Modellen følger både brintens og heliums reionisering i ét samlet, stort beregnet univers.

Nyheden er tidsskriftsudgivelsen og præsentationen af projektet. Et manuskript har ligget offentligt på arXiv siden maj og blev opdateret i august. Lumina er derfor ikke en beregning, der pludselig blev udført i går, men et længere forskningsarbejde, som nu har fået sin formelle udgivelse.

Lys ændrer også det, det passerer

Tidlige stjerner og galakser udsendte energirigt lys, der kunne rive elektroner løs fra neutral brint. Det kaldes reionisering. Senere bidrog aktive galaksekerner med den mere energirige stråling, som kunne fjerne endnu en elektron fra helium.

For at forstå forløbet skal en model både beskrive lyskilderne og følge, hvordan strålingen påvirker omgivelserne. Gas opvarmes, og forholdene for nye galakser ændrer sig. Det er derfor ikke nok først at beregne galakserne og derefter lægge et ensartet lysfelt hen over dem.

Lumina beregner strålingens transport sammen med gassens bevægelse og galaksernes udvikling. Ifølge projektet er koblingen central for at undersøge, hvordan lyskilder og miljø påvirkede hinanden under begge ioniseringsepoker.

432 milliarder beregningselementer

Simulationen rummer 216 milliarder gasceller og lige så mange partikler, der repræsenterer mørkt stof. I alt bliver det cirka 432 milliarder beregningselementer. Det er ikke en optælling af individuelle atomer eller stjerner. Hvert element repræsenterer langt større mængder stof i den matematiske model.

Området har en sidelængde på 500 komovende megaparsec. Komovende afstande følger universets udvidelse, så tallet ikke skal forstås som en uforanderlig fysisk sidelængde gennem hele simulationen. Modellen følger udviklingen fra rødforskydning 49 til 3, omtrent gennem universets første to milliarder år.

Beregningerne bygger på galaksedannelsesmodellen IllustrisTNG og koden AREPO. Transporten af stråling er GPU-accelereret. Dermed forsøger holdet at kombinere et stort udsnit af universet med tilstrækkelig detalje til at undersøge galakserne, der skaber strålingen.

Det store område har et formål

MIT fremhæver, at størrelsen giver forskerne store populationer af simulerede galakser at sammenligne med teleskopernes observationer. Samtidig kan projektets videoer vise, hvordan strukturer ændrer sig over tid og på tværs af skalaer. Det er beregnede forløb, ikke optagelser af fortiden.

Et lille udsnit kan overse sjældne objekter eller tilfældigvis rumme et atypisk miljø. Det bliver særligt vigtigt, når aktive galaksekerner skal med i forklaringen. Større modeller kan derfor forbedre sammenligningen med omfattende kortlægninger, selv om størrelsen ikke i sig selv sikrer, at fysikken er beskrevet korrekt.

I hovedartiklen forudsiger Lumina en sen brintreionisering, overvejende drevet af stjerner. Aktive galaksekerner driver den senere reionisering af helium. Forskerne finder også en termisk udvikling, som overordnet passer med eksisterende observationskrav. Det er modelresultater, der skal testes, ikke en direkte måling af alle processerne.

Supercomputeren erstatter ikke teleskopet

Lumina blev kørt på Frontier ved Oak Ridge National Laboratory. Projektets tekniske oversigt angiver 105.504 CPU-kerner og 7.536 AMD-GPU’er. Strålingens transport er en særlig beregningstung del af arbejdet, som kræver, at mange processorer samarbejder effektivt.

Alligevel er en stor simulation stadig afhængig af antagelser, startbetingelser og afgrænset opløsning. Den beregner et muligt fysisk forløb ud fra disse valg. Hvis billeder eller statistikker ligner observationerne, styrker det modellen, men viser ikke automatisk, at alle dens antagelser er entydigt rigtige.

Den vigtigste anvendelse er derfor sammenligningen med virkelige data: Kan samme model forklare både galakserne og sporene af den gas, lyset passerede? Lumina giver astronomerne et større og mere sammenhængende beregnet grundlag for at stille netop det spørgsmål.

Sammenligningen skal også kunne afsløre uenigheder. Hvis modellen rammer galaksernes antal, men ikke gassens tilstand, er det en vigtig oplysning om, hvor beskrivelsen skal forbedres. En vellykket beregning er et redskab til undersøgelsen, ikke dens afslutning.