Gökbilimciler şimdiye kadarki en büyük kozmik bilgisayar simülasyonunu gerçekleştiriyor

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

Flamingo’nun simülasyonları, fizik yasalarına göre evrenin tüm bileşenlerinin (sıradan madde, karanlık madde ve karanlık enerji) evrimini hesaplıyor. Simülasyon ilerledikçe sanal galaksiler ve galaksi kümeleri ortaya çıkıyor. üç Yapraklar Olmuştur yayınlanan içinde Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık BildirimleriBiri yöntemleri açıklıyor, biri simülasyonları sunuyor ve üçüncüsü simülasyonların evrenin büyük ölçekli yapısını ne kadar iyi yeniden ürettiğini inceliyor.

Avrupa Uzay Ajansı’nın (ESA) yakın zamanda fırlatılan Öklid Uzay Teleskobu ve NASA’nın JWST’si gibi tesisler galaksiler, kuasarlar ve yıldızlar hakkında büyük miktarda veri topluyor. FLAMINGO gibi simülasyonlar, evren teorilerinden gelen tahminleri gözlemlenen verilere bağlayarak verilerin bilimsel yorumlanmasında önemli bir rol oynar.

Teoriye göre, tüm evrenimizin özellikleri, “kozmolojik parametreler” adı verilen birkaç sayıyla (teorinin en basit versiyonunda altısı) belirleniyor. Bu parametrelerin değerleri farklı yollarla çok doğru bir şekilde ölçülebilir.

Böyle bir yöntem, erken evrenden kalan soluk bir arka plan parıltısı olan kozmik mikrodalga arka plan ışımasının (CMB) özelliklerine dayanır. Ancak bu değerler, galaksilerin kütleçekim kuvvetinin ışığı bükme (mercekleme) biçimine dayanan diğer tekniklerle ölçülen değerlerle eşleşmiyor. Bu “gerilimler” kozmolojinin standart modeli olan soğuk karanlık madde modelinin çöküşünün sinyali olabilir.

Bilgisayar simülasyonları bu gerilimlerin nedenini ortaya çıkarabilir çünkü bilim adamlarını ölçümlerdeki potansiyel önyargılar (sistematik hatalar) konusunda bilgilendirebilir. Bu nedenlerin hiçbiri gerilimi açıklamaya yetmiyorsa teorinin başı gerçekten dertte demektir.

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

İlk sonuçlar, doğru tahminler yapmak için hem nötrinolara hem de sıradan maddeye ihtiyaç duyulduğunu, ancak bunların farklı kozmolojik gözlemler arasındaki gerilimleri ortadan kaldırmadığını gösteriyor.

Sıradan baryonik maddeyi (baryonik madde olarak da bilinir) de izleyen simülasyonlar daha zordur ve çok daha fazla hesaplama 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 ortamda meydana gelen patlamalara bağlıdır ve bunların tahmin edilmesi oldukça zordur. Üstelik kütlesi çok küçük olan ancak kesin olarak bilinmeyen atom altı parçacıklar olan nötrinoların katkısı da önemlidir ancak hareketleri henüz simüle edilmemiştir.

Gökbilimciler karanlık madde, sıradan madde ve nötrinoların yapısının bileşimini izlemek için bir dizi bilgisayar simülasyonunu tamamladılar. Doktora Öğrenci Roy Coghill (Leiden Üniversitesi) “Galaktik rüzgarın etkisi, nispeten küçük ölçekli birçok farklı simülasyondan elde edilen tahminleri gözlemlenen galaksi kütleleri ve galaksi kümelerindeki gaz dağılımıyla karşılaştırarak makine öğrenimi kullanılarak kalibre edildi” diye açıklıyor.

Araştırmacılar, farklı kozmik boyutlarda ve farklı çözünürlüklerde bir süper bilgisayar kullanarak kalibrasyon gözlemlerini en iyi tanımlayan modeli simüle ettiler. Ek olarak, biraz daha küçük ama yine de büyük hacimli simülasyonlarda galaktik rüzgarın gücü, nötrinoların kütlesi ve kozmolojik parametreler de dahil olmak üzere model parametrelerini değiştirdiler.

En büyük simülasyon, kenarları on milyar ışıkyılı uzaklıkta olan bir küp hacminde 300 milyar çözünürlük elemanı (küçük bir galaksinin kütlesine sahip parçacıklar) kullanır. Bunun şimdiye kadar sıradan maddenin en büyük kozmolojik bilgisayar simülasyonu olduğuna inanılıyor. Leiden Üniversitesi’nden Matthieu Schaller, “Bu simülasyonu mümkün kılmak için, hesaplamalı çalışmayı 30.000’den fazla CPU’ya verimli bir şekilde dağıtan yeni bir kod olan SWIFT’i geliştirdik” dedi.

FLAMINGO simülasyonları evrene, kozmolojik gözlemlerden en iyi şekilde yararlanmaya yardımcı olacak yeni bir sanal pencere açar. 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 varsayımsal evrenler için tahminlerde bulunabilirler. Bunları büyük ölçekli yapı gözlemleriyle karşılaştırarak kozmolojik parametrelerin değerlerini ölçebilirler. Ayrıca galaktik rüzgarların etkisini kısıtlayan gözlemlerle karşılaştırma yaparak ilgili belirsizlikleri ölçebilirler.