Czy astronomia komputerowa przedstawia nowy obraz wszechświata?
Astronomowie używają obecnie superkomputerów do symulacji wiele zjawisk astrofizycznych: od zawiłych szczegółów powstawania planet i gwiazd, do rozwoju takich układów jak galaktyki , gromady galaktyk , lub nawet Wszechświata jako całości.
Po prostu , komputery są coraz szybsze , pamięci ich coraz to większe, oraz bazowe procesy fizyczne - które są podstawą pracy procesorów- coraz bliższe tym ,jakie zachodzą w układach kwantowych.
Astrofizycy i astronomowie coraz bardziej polegają na symulacjach, które umożliwiają rozwiązywanie problemów bez analitycznych technik rachunkowych.
W pierwszym tygodniu maja br. ukazał się sensacyjny raport z trzyletnich prac międzynarodowego zespołu astrofizyków w ramach projektu symulacji ewolucji kosmicznej sieci galaktyk[1].
Symulowana była ewolucja kosmosu od momentu 12 milionów lat po Wielkim Wybuchu - do chwili obecnej i przebiegała w elemencie czasoprzestrzeni o postaci sześcianu o krawędziach 106,5 megaparseków[350 milionów lat świetlnych] ,gdzie znalazło się ok.50 000 galaktyk,w tym gromady galaktyk tworzące “bąble” pustki.
W procesie realizacji projektu symulacji o nazwie "Illustris" [kierownik: prof. M. Vogelsberger,MIT,USA] wyprodukowano ponad 200 terabajtów danych za pomocą połączonej mocy ponad 8000 procesorów przez kilka miesięcy. Symulacja była możliwa dzięki opracowaniu specjalnego kodu Arepo do formowania modeli graficznych kosmologicznych struktur [galaktyk i gromad galaktyk].
Prowadzono ją na superkomputerze Curie w CEA / Francji w ramach prac projektu RA0844, oraz na superkomputerze SuperMUC w Leibniz Computing Centre, w Niemczech. Kolejne symulacje przeprowadzono na Harvard Odyssey i CFA / ITC wykorzystując do tego klastry obliczeniowe superkomputerów Ranger i Stampede w Texas.
Graficzna symulacja formowania się gromady galaktyk
Źródło : Pozycja literatury [2]
Galaktyki [Galaxies] zawierają zazwyczaj kilka miliardów gwiazdy i wykazują różne kształty i rozmiary. Ich powstanie i rozwój ,jest jednym z największych i najbardziej złożonych problemów astrofizyki. Realizatorzy projektu ‘Illustris” opracowali programy symulacji wychodząc z ram ściśle standardowego modelu kosmologicznego, zwanego żargonowo “Big Bang”.
Galaktyki i gwiazdy zaczęły powstawać po kilkuset milionach lat od momentu “Big Bangu”, kiedy barionowych gaz i pył upadł do centrów istniejących “ halo “ ciemnej materii.
Z pierwotnej “zupy” wodorowo- helowej i ciemnej materii, z czasem powstawały maleńkie skupiska substancji, grudki zaokrąglone w wyniku działania grawitacji. Następnie, przy złożonej interakcji procesów radiacyjnych, hydrodynamicznych fal uderzeniowych, przepływów turbulentnych, rozpoczęło się formowanie gwiazd i systemów gwiezdnych [ galaktyk].
Najwcześniejsze galaktyki były małych rozmiarów i o dużej gęstości młodych super-gorących gwiazd. Odległości między galaktykami były niewielkie, dochodziło do fuzji i oddziaływań między nimi ,co formowało różne kształty galaktyk. Szczególną rolę w tych procesach odgrywały grawitacyjne siły pływowe.
Ten pojęciowy model ewolucji fragmentu historii wszechświata został sformalizowany układami równań pola grawitacyjnego, elektromagnetycznego, równaniami transportu, hydrodynamiki,itd., a cała struktura praw wprowadzona do superkomputera i na wyjściu otrzymano wirtualne obrazy systemów gwiezdnych dla dowolnego przekroju czasowego. Wirtualny wszechświat jest do oglądania zarówno w układzie wielkoskalowym, jak i lokalnym, o dowolnie wybranych rozmiarach.
Graficzna symulacja ewolucji galaktyk
Źródło:p://www.nature.com/nature/journal/v509/n7499/carousel/nature13316-f1.jpg
Obrazy jakie otrzymano są zgodne z teoretyczną koncepcją Edwina Hubblea ewolucji galaktyk o różnych formach i z aktualnym obserwowanym obrazem badanego fragmentu wszechświata.
Powstaje jednak problem natury metodologicznej.
Czy tego rodzaju projekty symulacyjne mają wartość teorio-poznawczą? Czy za pomocą tej metody dowiadujemy się czegoś nowego o ewolucji struktur wszechświata? Czy przeciwnie : metoda symulacji dziejów wszechświata ma jedynie wartość dydaktyczną [wizualizacja rozwiązań równań astrofizyki systemów gwiezdnych i ich super-układów]?
Otrzymano obrazy wirtualne galaktyk o postaci znanej z wcześniejszych obserwacji teleskopowych, dlatego że w budowie programów symulacyjnych zastosowano znaną wiedzę fizyczną. Wiedza ta ma charakter hipotetyczny, prawdopodobny. A gdyby zastosowano do budowy programów symulacji inne hipotezy fizyczne?
Możliwe że takie są i możliwe ,że w symulacjach komputerowych, prowadzą do tego samego rezultatu: dają wirtualny obraz wszechświata zgodny z obrazem obserwacyjnym, to co wtedy?
Przecież stosujemy schemat rozumowania redukcyjnego: do znanych faktów obserwacyjnych dobieramy teoretyczne przesłanki. Takie rozumowanie nie jest niezawodne.
Wydaje się , że astronomia komputerowa nie posiada wielkich wartości teorio-poznawczych, a może nawet nie posiada żadnych.
Z pewnością, pamięć komputerów stosowanych w astronomii obserwacyjnych, jako baza danych, ma ogromne znaczenie w funkcjonowaniu systemu badawczego.
Ale astronomia komputerowa nie daje nowego obrazu wszechświata, czyli nie jest instrumentem badawczym takim, jakim są teleskopy, lub sondy-laboratoria kosmiczne. Nie wiem czy się nie mylę.
Literatura
[1] M. Vogelsberger, S. Genel, V. Springel, P. Torrey, D. Sijacki, D. Xu, G. Snyder, S. Bird, D. Nelson, L. Hernquist.
Properties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation.
Nature, 509,177, (7499),2014,DOI:
10.1038/nature13316 [Lub : arXiv:1405.1418
]arxiv.org/abs/1405.1418
