Lumina ile Evrenin Karanlık Çağlardan Doğuşunu İzleyin

Yeni simülasyon, evrenin ilk 2 milyar yılında madde, galaksiler, yıldızlar ve kozmik yapılar, daha önce hiç olmadığı kadar detaylı ve hacimli bir şekilde takip ediyor.

Jennifer Chu

|

MIT News

Yayın Tarihi

Basın İletişimi:

Abby

Abazorius

E-posta:

Telefon:

617-253-2709

MIT News Ofisi

Medya İndirme

↓

Açıklama

Lumina simülasyonunun ölçeklerini gösteren birleşik bir görsel; soldan sağa simülasyonun başlarında atomaltı parçacıkların ve karanlık maddenin akış hızları; helyum iyonlaşması sırasında gaz yapıları, gazın ne kadar hızlı hareket ettiğine göre renk kodlu; süper kütleli kara deliklerce iyonlaştırılan bölgeleri gösteren mavi renkli helyum iyonlaşması; ve parlak bölgelerin galaksilerden gelen radyasyonla iyonlaştığı hidrojen iyonlaşması, karanlık bölgelerin ise hala nötr olduğu bölümler.

Kaynak

Kaynak: Lumina işbirliği

*Kullanım Şartları:

MIT News Ofisi web sitesinde indirilebilen görseller, ticari olmayan kuruluşlara, basına ve genel halka
Creative Commons Atıf-Ticari Olmayan-Türetilemez lisansı altında sunulmaktadır.
Aşağıda sağlanmamışsa, görselleri yalnızca boyutlarına göre kırpma dışında değiştiremezsiniz. Görselleri yeniden kullanırken bir kaynak belirtmeniz gerekir;

Görsel Kaynağı: MIT News

Açıklama

Lumina simülasyonunun ölçeklerini gösteren birleşik bir görsel; soldan sağa simülasyonun başlarında atomaltı parçacıkların ve karanlık maddenin akış hızları; helyum iyonlaşması sırasında gaz yapıları, gazın ne kadar hızlı hareket ettiğine göre renk kodlu; süper kütleli kara deliklerce iyonlaştırılan bölgeleri gösteren mavi renkli helyum iyonlaşması; ve parlak bölgelerin galaksilerden gelen radyasyonla iyonlaştığı hidrojen iyonlaşması, karanlık bölgelerin ise hala nötr olduğu bölümler.

Kaynak

Kaynak: Lumina işbirliği

Big Bang ile evren, elektronlar ve atomaltı parçacıklardan oluşan sıcak ve yoğun bir çorba halinde var olmaya başladı. Bu ilkel iyonlaşmış plazma, başlangıçta tek bir atomdan bile küçükken hızla genişledi ve soğudu. Bu süreçte çorbadaki parçacıklar, elektronlarla bağlanıp elektriksiz nötral hidrojen oluşturacak kadar yavaşladı.

Nötral hidrojen biriktikçe, bu etki bir örtü gibi işlev gördü ve ışığın ile diğer radyasyon biçimlerinin serbestçe geçmesini engelledi. Big Bang’den yaklaşık 380.000 yıl sonra evren, kozmik bir “karanlık çağ”a gömüldü.

Şimdi yeni bir bilgisayar simülasyonu, ilk galaksilerin, yıldızların ve diğer yapıların o dönemden başlayıp evreni karanlık çağından çıkarana kadar nasıl şekillenebileceğine dair bilim insanlarına ayrıntılı bir bakış sunuyor.

Bugün Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS)‘de yayımlanan bir makalede, MIT, Harvard Üniversitesi ve başka yerlerden fizikçiler, Lumina’yı sunuyor; bu, evrenin karanlık çağından başlayıp ardından gelen 2 milyar yıllık kozmik evrim sürecini izleyen büyük hacimli, yüksek çözünürlüklü bir simülasyon.

İki kritik dönüşüm

Lumina, evrenin erken döneminden kozmik alanın 500 megaparsek, yani yaklaşık 1,6 milyar ışık yılı genişliğinde devasa bir bölümünü kapsıyor. Bu alanda simülasyon, karanlık madde, gaz, yıldız ve radyasyon (fotonlar gibi) evrimini hem muazzam kozmik ölçeklerde hem de tek tek gelişmekte olan bir galaksinin ayrıntılarına inerek izliyor.

Küresel bir halo üzerinde z=3 kayma değerinde bir uçuş; büyük ölçekli kozmik ortamdan, dizi sonunda tek tek galaksilerin görünür hale geldiği halonun yoğun iç bölgelerine doğru ilerliyor. Video, sistem boyunca karanlık madde yoğunluğunu, gaz yoğunluğunu, gaz sıcaklığını, gaz metalikliğini ve yıldız ışığını gösteriyor.

Lumina’nın simüle ettiği 2 milyar yıllık süre içinde, kozmik tarihteki iki büyük dönüşüm yakalanıyor: hidrojen iyonlaşmasının yeniden başlatılması ve helyum iyonlaşmasının yeniden başlatılması.

Hydrojen iyonlaşması, ilk yıldızların nötr hidrojeni etkileşime sokup elektronundan ayrıştıracak kadar yeterli ultraviyole ışık yayabildiği bir dönemdir. Bu “iyonlaştırıcı” süreç, hidrojenin fotonları soğurmasını engelleyip ışığın serbestçe yol almasını sağlamıştır. Hydrojen iyonlaşması, nötr hidrojen perdesini aralayan bir süreçtir ve Lumina bunu ilk kez ayrıntılı biçimde yakalamaktadır.

Simülasyon, hidrojen iyonlaşmasına benzer, çok daha yüksek enerjili ışığın nötr heliyumu parçaladığı bir süreç olan heliyum iyonlaşmasını da izlemektedir.

Detaylı simülasyonlarında Lumina, hidrojen iyonlaşmasının büyük ölçüde ilk galaksilerin ve yıldızların ışığı tarafından sürüldüğünü ortaya koymuştur. Buna karşılık, heliyum iyonlaşması ise aktif, madde biriktirme aşamalarındaki çok daha enerjik kütürlü kara deliklerce beslenmiştir. Birlikte bu, bir simülasyonun hem hidrojeni hem de heliyum iyonlaşmasını ilk kez yakalaması anlamına gelmektedir.

“Lumina, küçük ölçekli yıldız ve galaksi oluşumundan hidrojen ve heliyumun büyük ölçekli iyonlaşmasına kadar her şeyi, önceki en iyi simülasyonlardan 100 kat daha büyük bir hacimde gerçekleştiriyor,” diyor çalışmanın yazarlarından MIT fizik profesörü Mark Vogelsberger.

O ve meslektaşları, Lumina’yı bilim insanlarının ilk kozmik yapıların evrimiyle ilgili detaylı simülasyonlarını yeni ve gelecekteki teleskoplardan alınan görüntülerle karşılaştırabilmesi için bilim topluluğuna sunuyor. Ardından, evrendeki ilk galaksilerin, yıldızların ve yapıların şekillenmesini sağlayan süreçleri bir araya getirmeye başlayabilirler.

Çalışmanın MIT’deki ortak yazarları Xuejian (Jacob) Shen ve Teodora-Elena Bluichi’dir. Diğer yazarlar arasında Vogelsberger Laboratuvarı’nda geçmişte doktora sonrası araştırmacı olarak çalışan birinci yazar Oliver Zier, Rongrong Liu, Sonja Koehler ve Harvard ve Smithsonian Astrofizik Merkezi’nden Lars Hernquist; Texas Üniversitesi Dallas Kampüsü’nden Aaron Smith; Kanada’daki York Üniversitesi’nden Rahul Kannan ve Almanya’daki Max Planck Astrofizik Enstitüsü’nden Volker Springel ve Rüdiger Pakmor yer alıyor.

Kozmik hesaplama

Lumina adı, “ışıklar” anlamına gelen Latince bir sözcükten gelir. Lumina’nın kalbinde, MIT ve diğer yerlerde—Lumina ekibinin üyeleri de dahil—bilim insanları tarafından önceki aşamada geliştirilen IllustrisTNG yer alır. IllustrisTNG, Büyük Patlama’dan günümüze kadar galaksilerin oluşumuna dair karanlımadden, gazdan ve diğer süreçlerden etkileşimleri izleyen kapsamlı bir ölçekli bir simülasyondur.

Lumina’yı oluştururken ekip, simülasyonun galaksilerin oluşumunu aynı ayrıntı düzeyinde, ancak çok daha büyük bir hacimde izleyebilmesini sağlamak için IllustrisTNG’nin kodunu iyileştirdi. Bu yükseltilmiş galaksi modelini, ultraviyole ışık gibi farklı ışınım biçimlerinin kozmik ölçekte nasıl etkileştiğini simüle ederek hidrojenin yeniden iyonlaşması gibi süreçleri yakalayan bir ışınım iletimi modeliyle birleştirdi.

Yeni ve geliştirilmiş simülasyon, devasa ölçeklerde son derece ince ayrıntıları çözümleyebilir. Pratikte simülasyon, karanlık madde parçacıkları ve gaz hücreleri dahil olmak üzere yarı trilyon bireysel elemanı kapsar; bu, IllustrisTNG’den yaklaşık 30 kat daha yüksek çözünürlüktür. Lumina bu tüm ayrıntıları yakalar ve bunları yaklaşık 500 megaparsek genişliğinde, devasa bir bölgede, zaman içinde ileriye doğru evirir; bu da önceki simülasyonlardan hacim olarak 100 kat daha büyüktür.

Kozmik zamanın iki milyar yılı boyunca, hem son derece büyük hem de son derece küçük ölçeklerde her bir hücre için hesaplamaları yürütmek, önemli ölçüde hesaplama gücü gerektirir. Ekip, Lumina’yı Tennessee’deki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda bulunan dünyanın en güçlü süperbilgisayarlarından biri olan Frontier üzerinde çalıştırdı.

“Tepede ölçeğinde hesaplama, 100.000’den fazla CPU çekirdeğine ve yaklaşık 15.000 GPU’ya eşdeğer bir birikim sağlar,” diyor Shen. “Bu kadar çok işlemcinin, sürekli olarak eviren trilyonlarca etkileşen bilgi parçasıyla verimli şekilde iletişim kurmasını sağlamak, baş başına olağanüstü bir bilgisayar mühendisliği başarısıdır.”

Tam zoom

Lumina, simülasyonlarına Büyük Patlama’dan yaklaşık 45 milyon yıl sonra, karanlık çağların ortasında, nötral hidrojenin erken evreni domine ettiği dönemde başlar. Araştırmacılar simülasyonu, fizikçilerin böyle bir karanlık kozmik dönemde var olması gerektiğini teorikleştirdiğine yaklaştıran başlangıç koşullarıyla kurar.

Ardından Lumina’nın çalıştırılmasını sağlarlar; bu dönemde madde, gaz ve karanlık madde biçiminde, simülasyonun yarım trilyon hücre üzerinde nasıl etkileştiğini hesaplarlar. Eşzamanlı olarak simülasyon, ultraviyole ışık gibi radyasyonun nerede ve nasıl ortaya çıktığını ve çevresiyle nasıl etkileştiğini hesaplar.

Projenin web sitesinde ekip, Lumina’nın simüle ettiği farklı ölçekleri, zaman dönemlerini, fiziksel süreçleri ve kozmik yapıların katmanlarını betimleyen bir dizi video sunar. Örnekler arasında, evrenin tamamını kapsayan büyük ölçekli bölgeden tek bir disk biçimli galaksiye “yakınlaşma” ve 2 milyar yıldan fazla süren, zamanla nötral hidrojenin yeniden iyonlaşması sürecini yakalayan tam hacmin zamanlanmış görüntüleri yer alır.

Bir yandan karanlık maddeyi ve evrendeki gazı evirirken, diğer yandan da radyasyonun nasıl yayıldığını izliyorlar; Zier şöyle açıklar: “Karanlık madde ve gazın bu aşırı yoğunluklarda topaklanmaya başladığını görüyoruz. Yakınlaştırdıkça gazın bu karanlık madde halolarına düştüğünü görürüz. Daha da yakınlaştırdıkça ilk galaksilerin oluştuğu yeri görürüz. İlk yıldızlar da bu ilk galaksilerde oluşur. Bu yıldızlar ardından radyasyon üretir. Simülasyon bu radyasyonu izler ve biz de bu radyasyonun yıldızlardan çıkıp evren boyunca yayıldığı nasıl yakınlaşmadan uzaklaşarak, bir noktada bazı nötral hidrojenleri iyonlaştırdığını görebiliriz.”

Diğer simülasyonlar bu kadar yakınlaşamaz; Vogelsberger not eder. “Simüle ettiğimiz en küçük ve en büyük ölçekler arasındaki fark, herhangi bir simülasyondan daha büyüktür.”

İleriye bakılan, ekip Lumina’nı evrenin erken dönemindeki büyük ölçekli yapının haritalandırılmasında kullanmayı planlıyor. Simülasyon, aynı zamanda erken galaksilerin ve kara deliklerin üretmesi muhtemel yerçekimi dalgası kalıplarını öngörmede de yardımcı olabilir. Lumina’nın simüle ettiği her şey, yakında yeni ve gelecek teleskoplardan gelen gerçek gözlemlerle karşılaştırılabilir hale gelebilir.

“Lumina’nın en büyük avantajlarından biri muazzam ölçeği,” diyor Shen. “Simüle edilmiş devasa galaksi popülasyonları üretiyor ve sonunda, gelecek araştırmaların gözlemleyeceği çok büyük galaksi örnekleriyle karşılaştırma yapmamızı mümkün kılıyor.”

Bu araştırma kısmen NASA ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmiş ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki Oak Ridge Liderlik Bilgisayarı Kaynaklarını kullanmıştır; bu kaynak da ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi’ndeki İleri Bilgisel Araştırma programları tarafından desteklenmektedir.

Bu haber makalesini paylaş:

• X
• B

Makale: “Lumina projesinin tanıtımı: hidrojen ve helyum yeniden iyonlaşma çağlarının büyük hacimli radyasyon-hidrodinamik simülasyonları”

USA Today

MIT’den bilim insanlarını da içeren bir astronom ekibi, Lumina’yı geliştirdi; bu karmaşık bilgisayar simülasyonu “ilk galaksilerin, yıldızların ve diğer yıldızsal olguların nasıl geliştiğini ve ardından gelen bin yıllar boyunca evrimini” “gösteriyor,” diyor Eric Lagatta USA Today için. “Lumina’nın simülasyonları, evrenin nötr hidrojenle örtüldüğü ve ışığın ile diğer radyasyon biçimlerinin yol almasını engellediği için evrenin hâlâ kozmik bir karanlık çağın içinde olduğu ‘Büyük Patlama’dan yaklaşık 45 milyon yıl sonra başlar,” yazıyor Lagatta. “Simülasyon, kara madde, gaz ve yıldız gibi olguların oluşup büyüdüğü, yaklaşık 1,6 milyar ışık yılına yayılan erken evrenin muazzam bir parçasını kapsıyor.”

Tam haber USA Today üzerinden

İlgili Bağlantılar

• Lumina Projesi
• Mark Vogelsberger
• MIT Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü
• Fizik Bölümü
• Fen Fakültesi

• Araştırma
• Kozmoloji
• Astronomi ve astrofizik
• Bilgisayar modellemesi
• Fizik
• Uzay
• Kavli Enstitüsü
• Fen Fakültesi
• Enerji Bakanlığı (DoE)
• Ulusal Bilim Kurumu (NSF)
• NASA