Resimler, astrofizik alanındaki yeni bilgilerin anahtarıdır. Bu tür görüntüler, UZH’deki astrofizikçilerin yıldızların, gezegenlerin ve galaksilerin nasıl ortaya çıktığını araştırmak için kullandıkları kozmik olayların simülasyonlarını içerir.
Lucio Mayer, “Bugün astrofizik alanı altın çağın zirvesinde. Daha önce evrenin birçok farklı sektöründen bu kadar büyük miktarda veri yok” diyor. Örneğin James Webb uzay teleskopu, çok uzak galaksilerin eşi görülmemiş bir görüntü kalitesinde görülmesini sağlar.
UZH astrofizik profesörü, “Teleskop neredeyse her hafta yeni, şaşırtıcı keşifler sunuyor.” Avustralya ve Güney Afrika’da inşa edilen kare kilometre dizisi Gözlemevi (SKAO) hala yapım aşamasındadır. Bu muazzam teleskop dizisi, herhangi bir bilimsel projeden daha fazla veri toplayacaktır.
Evreni Anlamak
Yeni bilgiler, astrofizikleri, evreni bir bütün olarak ve ayrıntılı olarak anlama hedefine – yıldızların doğuşundan kozmos yapısına kadar daha da yakın hale getiriyor. UZH’deki Lucio Mayer ve Ravit Helled gibi astrofizikçiler, yeni keşiflerin bu çılgınlığının kalınlığında.
Mayer, yıldızların ve galaksilerin nasıl ortaya çıktığı konusunda araştırma yapar ve Helled, gezegenlerin nasıl oluştuğunu araştırır. Her iki araştırmacı da, gezegenlerin, yıldızların ve tüm galaksilerin zaman içinde nasıl oluştuğunu ve geliştiğini modellemeyi ve analiz etmeyi mümkün kılan bilgisayar simülasyonlarıyla çalışır.
Simülasyonlar büyük miktarlarda bilgi işlem gücü gerektirir. Uluslararası bir yarışmada, Mayer’in ekibi, Finlandiya’da Avrupa’nın en güçlü süper bilgisayar olan Lumi bilgisayarını kullanmak için bir zaman aralığı takmayı başardı.
Mayer’in başarısının anahtarı, kozmik olayları hesaplamak için yeni bir koddur. Araştırmacı, geliştirmek yaklaşık yedi yıl sürdü. Lugano’daki Zürih, Basel ve İsviçre Ulusal Süper Bilgisayar Merkezi’nden (CSCS) bir ekip, bilişim, hesaplama bilimi, astrofizik ve kozmoloji uzmanları üzerinde çalıştı.
Mayer, “Süper bilgisayar yardımıyla, gezegenlerin, yıldızların, galaksilerin – gerçekten de, tüm kozmos – nasıl varlığını modelleyebiliyoruz.” Bu simülasyonlar o kadar hesaplama açısından yoğundur ki, geleneksel yöntemler ve geleneksel bilgi işlem gücü kullanılarak yapılırlarsa yıllar alırlar. “Şimdi bunları birkaç gün içinde gerçekleştirebiliriz.”
Yeni grafik işleme birimleri (GPU) her şeyi mümkün kılar. Simülasyonları klasik işlemcilerle donatılmış geleneksel bilgisayarlardan 1000 kat daha hızlı çalıştırıyorlar.
Yıldızlarla dolu geniş bulutlar
Daha büyük performans kapasitesi sayesinde, milyonlarca yıldızın modellenebileceği dev moleküler bulutların içinde meydana gelenler gibi çok daha karmaşık süreçler. “Şimdiye kadar mümkün değildi,” diyor Mayer, “ama bunu yeni kodla yapabileceğiz. Şu anda modellerin ölçeğini büyütmek için çalışıyoruz.”
Dev moleküler bulutlar özellikle önemlidir, çünkü yıldızların ortaya çıktığı yerdir. Mayer, “Dev moleküler bulutları simüle edebilirsek, yıldız oluşumunun tüm bir galaksi boyunca nasıl gerçekleştiğini yeniden yapılandırabiliriz.” Bir galakside belirli yerlerde yer alan ve yıldız kümeleri oluşturan yıldızlar, o galaksinin hayatında önemli bir rol oynar. Galaksinin gelecekteki evrimini etkileyen enerjiyi serbest bırakıyorlar.
Lumi bilgisayarı ile simülasyon aşaması yakın zamanda tamamlandı. Mayer, “Şimdi yıldızların bulunduğu bulutların özelliklerine bir göz atmaya başlıyoruz.” Simülasyonlar, astrofizikçilerin yıldız oluşumunun farklı aşamalarına bakmalarını ve kesin kronolojik düzenlerini belirlemelerini sağlar.
“Ne olduğunu ve ne zaman olduğunu görüyoruz,” diyor Mayer. Daha sonra bulgular, simülasyonların sonuçlarının evrende görünür olanlarla eşleşip eşleşmediğini kontrol etmek için büyük teleskoplardan alınan verilerle karşılaştırılır. Eşleşmezlerse, modeller ve hesaplamalar ayarlanmalıdır.
Mayer bunu, yıldızların ve galaksilerin nasıl kaynaklandığını ve geliştiğini mümkün olduğunca doğru açıklamayı amaçlayan bir “diyalog” olarak tanımlıyor. Mayer’in araştırma grubu tarafından gerçekleştirilen muhteşem bir simülasyon, evrende oluşan ilk galaksileri ve yıldız kümelerini tasvir ediyor. Simülasyon, James Webb uzay teleskopu tarafından yakın zamanda keşfedilen galaksilerin nasıl ortaya çıktığını yeniden yapılandırıyor.
Bu tür simülasyonlar, aylar ve bazen yıllar sürüyordu. Ancak daha sonra Mayer, veri kümeleri küçük olduğu için ortaya çıkan verileri analiz etmenin oldukça kolay olduğunu söylüyor. “Bunu dizüstü bilgisayarlarımızda yapabiliriz,” diye anlatıyor. Bugün tamamen farklı: simülasyonlar çok daha hızlı çalışıyor ve analiz etmek için çok miktarda veri sunuyor. Yapay zeka, bunu yapmak için özel olarak eğitilmiştir ve istihdam edilir.
Mayer, “İsviçre Veri Bilim Merkezi AI ve makine öğrenimi konusunda uzmanlığa sahiptir ve simülasyonların sonuçlarını analiz etmek için yeni yöntemler geliştirmek için ekibimizle işbirliği yapıyor.”
Bu tür simülasyonlar, kozmik süreçleri çoğaltmaya ve yeniden yapılandırmaya çalışan türlerin astrofizik laboratuvar deneyleridir, çünkü evrendeki bir akran olduğunda, zaman içinde sadece bir anlık görüntü görür, ancak bunun nasıl ortaya çıktığını bilmez.
Mayer, “Yıldız kümelerinin, galaksilerin ve gerçekten de tüm evrenin nasıl ortaya çıktığını ve evrenin bugün nasıl olduğunu anlamak için geriye doğru çalışmaya çalışıyoruz.” “Simülasyonlarımı gerçek evrenle karşılaştırdığımda, ‘Tamam, yaratabileceğim galaksi gerçekte buna benziyor’ diyebilmek istiyorum.”
Lucio Mayer, galaksilerin ve yıldızların nasıl ortaya çıktığını araştırıyor. Yıldızların ve yıldız kümelerinin enerjisi galaksilerin evrimini etkiler. Ve gezegenler yıldızların etrafında oluşur. Ravit Helled, gezegenlerin nasıl kaynaklandığı konusunda araştırma yapıyor. UZH Astrofizik Profesörü benzer şekilde modeller ve simülasyonlarla çalışır. Mayer’in araştırma çalışmalarında olduğu gibi, teleskopik gözlemle açık bırakılan bilgi boşluklarını kapatmaya hizmet ediyorlar.
“Protoplantary diskler görüyoruz ve bugünün gezegenlerini görüyoruz, ancak aralarında ne olduğunu görmüyoruz.”
Helled, onun geliştirdiği modeller tarafından üretilen bazı simülasyonların Mayer tarafından yaratılanlardan görsel olarak daha az muhteşem olduğuna dikkat çekiyor. Ancak özellikle gezegensel oluşum sırasında gerçekleşen temel fiziksel süreçleri göstermek için çok uygundurlar.
Ve cehennem, araştırmasından bahsettiğinde Mayer’den daha az hevesli değil. Gezegenlerin nasıl oluştuğunu ve neden birbirlerinden farklı olduklarını anlamak istiyor. Gezegenler, genç yıldızları çevreleyen dönen protoplantary disklerde gaz ve tozdan doğar. Çeşitlilikleri, protoplantary disklerde geçerli olan, maddenin sıcaklığı, yoğunluğu, bileşimi ve dağılımı gibi değişen başlangıç koşulları ile açıklanmaktadır.
Büyük bir etki ile küçük değişiklikler
Oluşum koşullarındaki küçük farklılıklar, Dünya, Merkür, Venüs ve Mars gibi nispeten küçük ve sağlam, kayalık bir yüzeye sahip karasal gezegenlerin olduğu kendi güneş sistemimizde gözlemleyebileceğimiz için çok farklı gezegenlere yol açar. Ayrıca gaz ve buz devleri (Jupiter, Satürn, Uranüs ve Neptün) esas olarak hidrojen ve helyumdan oluşuyor. Katı bir yüzeyleri yoktur ve karasal gezegenlerden çok daha büyüktürler. “Modellerimizle, en küçük değişikliklerin bile gezegensel oluşumu nasıl etkilediğini gösterebiliriz.”
Araştırmasında, astrofizikçi mevcut teorileri sorgulamaya çağıran bazı dikkate değer sonuçlar doğuruyor. Örneğin, buz devleri Uranüs ve Neptün birçok benzerliğe rağmen birbirinden önemli ölçüde farklıdır. Uranüs aşırı eksenel bir eğime sahiptir ve normal uydulara, iç ısı kaynağı ve daha büyük bir yoğunluğa sahiptir, Neptün düzensiz aylara sahiptir ve iç ısı kaynağına sahiptir. Neptün ayrıca farklı bir yoğunluk dağılımına sahiptir.
Bu farklılıklar nasıl ortaya çıktı? Simülasyonlar yoluyla, Helled olası bir açıklama keşfetti: Büyük bir göksel beden genç bir gezegenle çarpıştığında neler olduğunu modelledi. Bu tür yıkıcı oluşumlar, Uranüs ve Neptün’ün neden bugün birbirinden bu kadar farklı olduğunu açıklayabilir.
Uranüs simülasyonunda, gezegenin eksenel eğimine, uydu diskine ve iç yapıya yol açan bir bakış çarpması nedendir. Neptün durumunda, kafa kafaya bir çarpışma gezegenin iç yapısını ve enerji profilini etkilemiş olabilir.
Bir bulmacayı çözmek
Bu türden muazzam çarpışmalar, Uranüs ve Neptün’in neden güneş sistemindeki yerlerinde yaptıkları gibi oluşturduklarını da açıklayacaktır, çünkü klasik teoriye göre, mevcut konumlarında bu formda olmaları mümkün değildir.
Helled, “Bu bize bazı olayların gezegenlerin evrimini nasıl değiştirebileceğini ve beklenen yörüngesinden nasıl çıkarabileceğini gösteriyor.” Ve bu, simülasyonların nasıl kullanılabileceğini gösterir. Diyerek şöyle devam etti: “Uranüs ve Neptün’ün şimdiki formlarında nasıl ortaya çıktıklarını açıklamak yıllarca bilim için bir bulmaca ve bir meydan okuma oldu.”
Bu ifade Jüpiter için de geçerlidir. Bu gezegen keskin bir sınırsız bulanık bir çekirdeğe sahiptir. Helled’in simülasyonları, burada Jüpiter’in erken oluşumu sırasında başka bir göksel bedenle muazzam bir çarpışmanın bu fenomeni açıklayabileceğini gösteriyor. Etki, gezegenin çekirdeğini kısmen yırtıyor, ancak daha sonra nispeten hızlı bir şekilde tepki veriyor.
Bu tür modelleme simülasyonları zorlu bir çabadır. Helled, “Kozmik süreçler çeşitli ve karmaşık ve dikkate alınması gereken çok fazla parametre var.” Bu yüzden farklı değişkenlerle çok sayıda yineleme yürütülüyor. “O zaman sonucu görüyorsunuz ve bazen çok şaşırtıcı.” Bu tür sürprizler, işi cehenneme büyüleyici kılan şeydir.
Ravit Helled ve Lucio Mayer tarafından yapılan araştırma, simülasyonlarla yeni, muhteşem içgörülerin ne kadar kazanılabileceğini örnekliyor. “Bu gerçekten heyecan verici bir zaman,” diyor Mayer, “özellikle öğrenciler için. Onlara bu alanda araştırma yapmak için harika bir an seçtiklerini söylüyorum.”
