ASTRID: Evrenin İlk Dönemlerinden Günümüze Kapsayan Yeni Yüksek Çözünürlükli Kozmik Simülasyon
JWST (James Webb Uzay Teleskobu), evrenin ilk galaksilerinden ve kara deliklerden elde edilen antik ışığı inceleyerek bazı bulmacaları ortaya çıkardı. Bu erken dönemdeki galaksiler ve süper kütleli kara delikler (SMBH), kozmolojların düşündüğünden daha gelişmiş bir yapıya sahipti. Bu gözlemlerin açıklanması, yalnızca daha fazla gözlemden öte çözümler gerektiriyor.
İşte bu noktada simülasyonlar devreye giriyor. Kozmologlar, evrenin en büyük zorluklarıyla başa çıkmak için dünyanın en hızlı süper bilgisayarlarında çalışan devasa simülasyonları kullanıyor. ASTRID, bunlardan biri ve sınırlarını zorluyor. Yeni sonuçlarda, ASTRID evrenin en erken dönemlerinden günümüze kadar olan simülasyonları çalıştırdı.
Sonuçlar, “The Astrophysical Journal” dergisinde yayınlanan “ASTRID Simülasyonu z = 0’da: Kütleli Kara Deliklerden Büyük Ölçekli Yapıya” başlıklı yeni bir makalede yer aldı. Çalışmanın başyazarı, Carnegie Mellon Üniversitesi’nin (CMU) Fizik Bölümü’nde doktora öğrencisi Yihao Zhou.
Yazarlar, “ASTRID kozmik simülasyonunun z = 0 sonuçlarını sunuyoruz” diyorlar. “370 Mpc boyutunda bir kutuda 2 × 55003 ≈ 0,33 trilyon parçacık barındıran ASTRID, z = 0’a kadar geliştirilmiş en büyük kozmik hidrostatik simülasyonlardan biri.”
“z”, ışığın kırmızıya kayma ölçüsüdür. Evren genişledikçe, galaksiler gibi ışık kaynakları bizden daha uzağa hareket eder ve ışık daha fazla gerilir veya kırmızıya kayar. “z” açısından, Big Bang’in kendisi sonsuz bir değerdedir, çünkü bu bir tekil noktadır. Gözlemleyebileceğimiz en yüksek kırmızıya kayma değeri z ~ 1090’dır; bu da Recombination Çağı’nı ve kozmik mikrodalga arka planının (CMB) ortaya çıkışını işaret eder. Bu, fotonların evrenin içinden serbestçe hareket edebildiği zamandır. Yazarların “ASTRID simülasyonunun z = 0’a kadar çalıştığını” söylemesi, bu durumun günümüz anlamına geldiğini gösteriyor.
Yazarlar, “Büyük ölçekli kozmik simülasyonlar, galaksi oluşumunu kozmik bir bağlamda anlamak için sürekli olarak hesaplama sınırlarını zorluyor” diyorlar. Ayrıca IllustrisTNG, Eagle ve MassiveBlack-II gibi diğer simülasyonlara da değiniyorlar.
ASTRID, türünün en büyük simülasyonu değil. MillenniumTNG’nin amiral gemisi simülasyonu yaklaşık 740 Mpc boyutundadır; bu, ASTRID’in 370 Mpc’sine göre sekiz kat daha büyüktür. Ancak ASTRID, diğer simülasyonlar gibi TNG300’den daha büyük ve aynı zamanda başka bir açıdan da güçlü: Daha yüksek parçacık sayısına sahip, bu da daha iyi çözünürlük sağlıyor.
ASTRID ayrıca önemli bir kara delik popülasyonuna sahip. “ASTRID, 4 × 10⁴ ∼ 2 × 10¹¹ M⊙ aralığında geniş bir kütle yelpazesine sahip çok sayıda büyük kara deliği (MBH) içeriyor” diyorlar.
Şimdi ASTRID’in sonuçları araştırma topluluğunun kullanımına sunuluyor.
“Çalışmamızın en önemli bilgisi, ASTRID simülasyonunu z = 0’a kadar geliştirdiğimiz ve bu verilerin mevcut olduğu gerçeğidir” diyor başyazar Zhou, bir basın açıklamasında. Zhou ve meslektaşları, simülasyonlarına z = 99’da başlayarak Evrenin Kozmik Şafağı’nda başladılar.
Çalışmanın ortak yazarı Tiziana Di Matteo, “Bu çok büyük simülasyon parçasını ele aldığımızda, oluşumundan günümüze kadar kara deliklerin büyümesini yakalıyoruz ve aynı zamanda bu erken dönemden itibaren oluşan galaksileri de görüyoruz” diyor. Di Matteo, ASTRID’in baş araştırmacısı ve CMU’daki McWilliams Kozmoloji ve Astrofizik Merkezi’nin direktörüdür.
Peki, ASTRID’in yüksek çözünürlüklü simülasyonu, özellikle JWST tarafından ortaya çıkarılan erken evrenle ilgili sorulara nasıl cevap verecek?
“ASTRID ile çok büyük bir hacimde ve inanılmaz çözünürlükte, gerçekçi fiziksel koşullarla donatılmış bu simülasyonları kullanarak, mevcut bulmacaları anlamamızı sağlayacak tahminler yapabiliriz” diyor Di Matteo.
“Kara deliklerin birleşmelerini neden önemli olarak görüyoruz? Çünkü ışık veya akreasyon görmesek bile, gelecekteki gözlemler için uygun ortamları belirlememize yardımcı olacak tespit cihazlarımız var” diye açıklıyor Di Matteo. 2035’te fırlatılması planlanan Laser Interferometer Space Antenna (LISA), erken evrendeki çoğu büyük kara delik birleşmesini bulacak.
Her kozmik simülasyonun kendine özgü güçlü ve zayıf yönleri vardır. ASTRID’in en önemli avantajlarından biri, dinamik sürtünme modelleridir. Bu modeller, kara deliklerin galaksi merkezine nasıl yavaşça doğru hareket ettiğini ve birleşmelerin ne zaman gerçekleştiğini daha iyi anlamamızı sağlıyor.
“Simülasyonlarımızda gerçekçi kara delik birleşme yörüngeleri bulunuyor ve kara delik birleşme zaman çizelgelerinin daha iyi tahminlerini sunuyoruz” diyor Di Matteo.
ASTRID, yerçekimi dalgalarıyla (GW) nasıl etkileşimde bulunacak? GW’ler, iki büyük nesnenin birleşmesiyle oluşan uzay-zamanın küçük dalgalarıdır. Einstein, bu dalgaları yüzyıl önce öngörmüştü, ancak ilk gözlemi sadece on yıl önce yapıldı. GW gözlemleri, kara deliklerin zaman içindeki büyümesini anlamak için önemlidir.
ASTRID, gelecekteki GW gözlemevleriyle aranacak en iyi yerleri göstererek bu konuda yardımcı olabilir.
“ASTRID ile, tespit edilme olasılığı en yüksek olan yerlerdeki yerçekimi dalgası kaynaklarını tahmin ediyoruz” diyor Zhou.
ASTRID, büyük ölçekli yapısından galaksilerdeki ve birleşmelerindeki kara deliklere kadar her şeyi simüle ediyor. Yüksek çözünürlüğü sayesinde, diğer kozmik simülasyonlardan daha ayrıntılı süreçleri modelleyebiliyor.
Yazarların makalelerinde belirttiği gibi, “ASTRID, önceki büyük simülasyonlara göre daha iyi bir kara delik dinamiklerinin tanımını sunuyor ve gerçekçi kara delik hızları ve yörüngeleri sağlıyor, bu da birleşme ortamları ve oranları hakkında daha iyi tahminler sağlıyor.”
Bilim insanları, bildikleri her şeyi alıp, süreçlerin nasıl gerçekleştiğini izledikleri simülasyonlar kullanıyor. Bir simülasyon, etrafımızdaki dünyayı yansıtıyorsa, evreni anlamaya doğru ilerlediğimizin bir göstergesi olabilir.
“Evrenin derin geçmişini incelemek için deney yapamıyoruz ve uzak galaksileri doğrudan gözlemleme yeteneğimiz sınırlı,” diyor Zhou. “Süper bilgisayarlar sayesinde, yerçekimi ve yıldızların ve kara deliklerin evrimi boyunca nasıl geliştiğini takip edebilen sayısal bir evren inşa ediyoruz. Süper bilgisayarlar, teorimizi gerçek gözlemlerle ilişkilendirmemize yardımcı oluyor.”
Evan Gough, resmi eğitimi olmayan ama dünyayı, ormanları, yürüyüşü ve sert müziği seven bilim meraklısı biridir. Carl Sagan’ın “Anlamak bir nevi mutluluktur” sözü ona rehberlik ediyor.
