Gökbilimciler şimdiye kadarki en büyük kozmolojik bilgisayar simülasyonunu gerçekleştiriyor

Gökbilimcilerden oluşan uluslararası bir ekip, şimdiye kadarki en büyük kozmolojik bilgisayar simülasyonu olduğuna inanılan bir şeyi gerçekleştirdi; yalnızca karanlık değil, aynı zamanda sıradan maddeleri de (gezegenler, yıldızlar ve galaksiler gibi) izleyerek bize evrenimizin nasıl evrimleşmiş olabileceğine dair bir fikir verdi.

FLAMINGO simülasyonları, fizik yasalarına göre evrenin tüm bileşenlerinin (sıradan madde, karanlık madde ve karanlık enerji) evrimini hesaplar. Simülasyon ilerledikçe sanal galaksiler ve galaksi kümeleri ortaya çıkıyor. Üç evraklar oldu yayınlanan içinde Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık Bildirimleri: Biri yöntemleri açıklıyor, diğeri simülasyonları sunuyor ve üçüncüsü simülasyonların evrenin büyük ölçekli yapısını ne kadar iyi yeniden ürettiğini inceliyor.

Yakın zamanda Avrupa Uzay Ajansı (ESA) tarafından başlatılan Öklid Uzay Teleskobu ve NASA’nın JWST’si gibi tesisler galaksiler, kuasarlar ve yıldızlar hakkında etkileyici miktarda veri topluyor. FLAMINGO gibi simülasyonlar, evrenimizin teorilerinden gelen tahminleri gözlemlenen verilere bağlayarak verilerin bilimsel olarak yorumlanmasında önemli bir rol oynamaktadır.

Teoriye göre, tüm evrenimizin özellikleri ‘kozmolojik parametreler’ adı verilen birkaç sayıyla (teorinin en basit versiyonunda altısı) belirleniyor. Bu parametrelerin değerleri çeşitli yollarla çok hassas bir şekilde ölçülebilir.

Bu yöntemlerden biri, erken evrenden kalan soluk bir arka plan parıltısı olan kozmik mikrodalga arka plan ışımasının (CMB) özelliklerine dayanıyor. Ancak bu değerler, galaksilerin kütleçekim kuvvetinin ışığı bükme biçimine (merceklenme) dayanan diğer tekniklerle ölçülen değerlerle eşleşmemektedir. Bu ‘gerilimler’ kozmolojinin standart modelinin (soğuk karanlık madde modeli) çöküşünün sinyali olabilir.

Bilgisayar simülasyonları, bilim adamlarını ölçümlerdeki olası önyargılar (sistematik hatalar) hakkında bilgilendirebileceği için bu gerilimlerin nedenini ortaya çıkarabilir. Eğer bunların hiçbiri gerilimleri açıklamaya yeterli olmazsa teorinin başı gerçekten dertte olacaktır.

Şimdiye kadar gözlemlerle karşılaştırma yapmak için kullanılan bilgisayar simülasyonları yalnızca soğuk karanlık maddeyi izliyor. Araştırma lideri Joop Schaye (Leiden Üniversitesi), “Karanlık madde yerçekimine hakim olsa da, sıradan maddenin katkısı artık göz ardı edilemez” diyor, “çünkü bu katkı, modeller ve gözlemler arasındaki sapmalara benzer olabilir.”

İlk sonuçlar, hem nötrinoların hem de sıradan maddenin doğru tahminler yapmak için gerekli olduğunu, ancak farklı kozmolojik gözlemler arasındaki gerilimleri ortadan kaldırmadığını gösteriyor.

Sıradan baryonik maddeyi (baryonik madde olarak da bilinir) de izleyen simülasyonlar çok daha zorludur ve çok daha fazla bilgi işlem gücü gerektirir. Bunun nedeni, evrendeki tüm maddenin yalnızca yüzde on altısını oluşturan sıradan maddenin yalnızca yerçekimini değil aynı zamanda gaz basıncını da hissetmesidir; bu da maddenin aktif kara delikler ve süpernovalar tarafından galaksilerden galaksiler arası uzaya doğru fırlatılmasına neden olabilir.

Bu galaksiler arası rüzgarların gücü, yıldızlararası ortamdaki patlamalara bağlıdır ve tahmin edilmesi çok zordur. Üstelik çok küçük ama kesin olarak bilinmeyen kütleye sahip atom altı parçacıklar olan nötrinoların katkısı da önemlidir ancak hareketleri şu ana kadar simüle edilmemiştir.

Gökbilimciler karanlık madde, sıradan madde ve nötrinolardaki yapı oluşumunu izleyen bir dizi bilgisayar simülasyonunu tamamladılar. Doktora Öğrenci Roi Kugel (Leiden Üniversitesi) şöyle açıklıyor: “Galaktik rüzgarların etkisi, makine öğrenimi kullanılarak, nispeten küçük hacimlerdeki birçok farklı simülasyonun tahminleri, gözlemlenen gökada kütleleri ve gökada kümelerindeki gaz dağılımı ile karşılaştırılarak kalibre edildi. ”

Araştırmacılar, kalibrasyon gözlemlerini en iyi tanımlayan modeli, farklı kozmik hacimlerde ve farklı çözünürlüklerde bir süper bilgisayarla simüle ettiler. Buna ek olarak, biraz daha küçük ama yine de büyük hacimli simülasyonlarda galaktik rüzgarların gücü, nötrinoların kütlesi ve kozmolojik parametreler de dahil olmak üzere modelin parametrelerini değiştirdiler.

En büyük simülasyon, kenarları on milyar ışıkyılı olan kübik bir hacimde 300 milyar çözünürlük elemanı (küçük bir galaksinin kütlesine sahip parçacıklar) kullanır. Bunun şimdiye kadar tamamlanmış sıradan maddeyle yapılan en büyük kozmolojik bilgisayar simülasyonu olduğuna inanılıyor. Leiden Üniversitesi’nden Matthieu Schaller şunları söyledi: “Bu simülasyonu mümkün kılmak için, hesaplama işini 30 bin CPU’nun üzerinde verimli bir şekilde dağıtan yeni bir kod olan SWIFT’i geliştirdik.”

FLAMINGO simülasyonları evrene kozmolojik gözlemlerden en iyi şekilde yararlanmaya yardımcı olacak yeni bir sanal pencere açıyor. Ayrıca büyük miktarda (sanal) veri, yeni teorik keşifler yapma ve makine öğrenimi de dahil olmak üzere yeni veri analizi tekniklerini test etme fırsatları yaratır.

Gökbilimciler makine öğrenimini kullanarak rastgele sanal evrenler için tahminlerde bulunabilirler. Bunları büyük ölçekli yapı gözlemleriyle karşılaştırarak kozmolojik parametrelerin değerlerini ölçebilirler. Üstelik galaktik rüzgarların etkisini sınırlayan gözlemlerle karşılaştırarak ilgili belirsizlikleri ölçebilirler.