Af Palle Vibe, Alt om Data
Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.
Verdensrummet blev skabt gennem en voldsom og pludselig udvidelse kendt som Big Bang og har siden haft små 14 milliarder år til at udvikle sig til det univers, som vi kender i dag. Præcis hvordan det er gået for sig, kan forskerne nu følge ved hjælp af projektet Illustris, der er den mest realistiske computersimulering af universets udvikling nogensinde.
Simuleringen starter kort efter Big Bang og viser, hvordan stjerner, galakser, gasskyer og sorte huller opstår og placerer sig i det uendelige kosmos. Forskerne kan undervejs se stjerner og galakser blive dannet af gasskyer, kollidere med hinanden og levere råstof til nye himmellegemer.
Illustris leverer desuden overbevisende og videnskabeligt korrekte simuleringer af kosmiske fænomener som stjernedød, supernova-eksplosioner og dannelsen af sorte huller. Simulationen omfatter både normalt stof og antistof og medtager også det endnu ikke fuldt forståede forhold som ”mørk” energi og gravitationsbølger.
Simulationen viser interessant nok også, at mange af de kosmiske teorier, som videnskaben har opstillet til nu, ikke er helt forkerte. Men det har krævet cpu-kræfter i superklassen at få 13,8 milliarder år kogt ned til en simulation, der kan afvikles på en computerskærm.
Ikke for tøsecomputere
Illustris er resultatet af et internationalt samarbejde mellem forskere fra USA og Europa.
Det tog de to håndfulde af forskere fulde fem år at projektere og programmere simulationen, og selve computerprogrammet bag
Illustris, der er det latinske ord for noget usædvanligt lysende og enestående, er naturligvis ufatteligt kompliceret.
De nødvendige beregninger tog tre måneder og beslaglagde adskillige supercomputere i både USA og Europa. Ud over Harvard Odyssey-computerne samt Ranger Stampede, der står opstillet hos Texas Advanced Computing Center (TACC) og er nummer syv på supercomputernes verdensrangliste, har projektet også lånt supercomputerkraft fra SuperMUC-maskinen i Leibniz Computing Centre i Tyskland foruden den navnkundige Curie-supercomputer fra den teknologiske forskningsorganisation CEA i Frankrig.
Yderligere blev der foretaget beregninger på Kraken Cray XT5-maskinen i Oak Ridge National Laboratory (der blev taget ud af drift i april 2014). I alt 8192 processorkerner, 25 terabyte arbejdshukommelse og mere end 200 terabyte lagerplads på harddiske og fulde tre måneder i døgndrift var nødvendigt for at kunne skabe den simulation, som det ville have taget en enkelt bord-pc langt over 2000 år at gnaske sig igennem. Den største og vanskeligste enkeltberegning tog 19 millioner cpu-timer.
Tidligere forsøg på at genskabe universets udvikling er alle kommet til kort på grund af manglende forståelse af de grundlæggende fysiske faktorer og manglen på tilstrækkelig computerkraft. Derfor har forskerne hidtil været henvist til kun at arbejde med afgrænsede områder af kosmos eller simulationer med meget begrænset opløsning.
Problemet med at simulere universet er nemlig, at det kræver ufattelig stor virtuel plads at lade alle himmellegemer suse ud mod uendeligheden. Og i den anden ende af skalaen skal simulationen være så højopløst, at astronomerne kan zoome ind på individuelle galakser og følge deres udvikling gennem tiden.
”Derfor har det været nødvendigt at foretage visse afgrænsninger og indføre et enkelt kompromis eller to,” erkender dr. Mark Vogelsberger, der er professor i fysik med speciale i stjernedannelse på Massachusetts Institute of Technology, MIT, og er en af de i alt 10 forskere, der har samarbejdet om at udvikle Illustris-simuleringen.
Sammentrængt simulation
Forskerne trængte først begivenhederne sammen til et ”verdensrum”, der blot måler 347 millioner lysår på hver led. Men det er også i sig selv næsten ufatteligt stort. For det andet har forskerne valgt at standse opløsningen ved himmellegemer af stjernestørrelse og udelade afbildning af planeter, måner, meteorer og andre mindre himmellegemer.
”Skulle Illustris have været fuldkommen, måtte simulationen også give mulighed for at zoome helt ind på de enkelte elementarpartikler, som alt i universet er bygget op af, anfører dr. Mark Vogelsberger, men selv dagens største supercomputere kan endnu ikke håndtere en sådan simulation, og universets mindste byggesten optræder derfor kun som beregningsdata, der kan fortælle om himmellegemernes sammensætning, fysisk beskaffenhed mv. Ikke desto mindre arbejder simulationen med en opløsning på ikke mindre end 12 milliarder pixel i fuld 3D.
Gennem 14 milliarder år
Men selv med de nævnte begrænsninger er Illustris et formidabelt astronomisk værktøj. Simulationen starter 300.000 år efter Big Bang og løber lige frem til i dag. I den tid er der opstået 41.000 galakser i det virtuelle verdensrum med en fuldkommen realistisk fordeling af fladtrykte, spiralsnoede galakser som vor egen Mælkevej og mere baseball-formede eliptiske stjernehobe. På den store skala viser programmet også galaksehobe og supergalakser opbygget af milliarder af stjerner, og det er muligt at studere de forskellige stjerners og galaksers kemiske opbygning.
Helt i overensstemmelse med fakta fremtræder alle himmellegemer, som de ser ud for os i dag. En galakse, der ligger en milliard lysår fra os, viser Illustris, som den ser ud nu og ikke som den gjorde for en milliard år siden, fordi lyset først ankommer til os nu. Jo længere vi kikker ud i rummet, des længere kikker vi også tilbage i tiden.
Rumteleskoper som Hubble kan kigge langt ud i kosmos og vise os flere fjerne himmellegemer end nogensinde, men teleskoper kan ikke vise os, hvordan fjerne egne af universet ser ud i dag, eller om de overhovedet eksisterer. Illustris derimod kan både give astronomerne viden om, hvordan de enkelte galakser har udviklet sig gennem milliarder af år, men også hvordan de vil udvikle sig fremover.
Forklaring på alting
Simulationen viser også, at der må findes store mængder af stof i galaksernes yderområder, og da der ikke er noget synligt stof til stede her, tager astronomerne det som et bevis på tilstedeværelse af store mængder af det teoretiske materiale, de af mangel på en mere dækkende betegnelse kalder ”mørkt stof”.
Astronomernes nuværende standardmodel for universets udvikling dikterer nemlig, at fordelingen af masse og energi i universet bestemmes af ukendte mængder af mørkt stof og mørk energi. Men eksistensen af dette stof er aldrig fuldstændig påvist, og forskerne jubler derfor over, at det også har fundet plads i simulationen.
Simuleringer af fordelingen af mørkt stof og mørk energi over tid under indflydelse af tyngdekraften har ellers været tilgængelige i de seneste tiår med blandt andet simulationen Millennium, en simulation, der jonglerede med over 10 milliarder partikler i en terning på to milliarder lysår. Den blev skabt i i 2005. Med en datamængde, der oversteg 25 TB, var Millennium-supercomputeren på Max Planck supercomputercenter i Tyskland beskæftiget i over en måned. De seneste simuleringsprogrammer har arbejdet med over en billion partikler, der alle øver indflydelse på hinanden.
Hidtil har simuleringer som den fra 2005 ikke kunnet bidrage til nogen ny forståelse af, hvorfor stjernelegemer og galakser er fordelt i universet, som de er. Det kræver en simulation, der ikke bare omfatter tyngdekraften, mørkt stof og mørk energi. Sådan en simulation skal også medtage alle universets andre faktorer som gasskyer, rumstråling, magnetfelter og sorte huller og vise, hvordan både synligt og ikke-synligt stof interagerer med hinanden. Det er ekstremt indviklet og beregningskrævende, men med Illustris har forskerne nu mulighed for at efterprøve den vedtagne standard-model og er kommet et skridt på vejen.
Chokerende virkelighedsnær
Derudover kan forskerne konstatere, at det hidtidige skøn over, hvor mange stjerner af forskellig masse og lysstyrke, der danner sig over tid, og den anslåede masse af mørkt stof, også bekræftes af simulationen. Simulationen stemmer tilmed overens med de hidtidige målinger af tilstedeværelsen og placeringen af drivende gasskyer, så forskerne også kan hente viden om disse gasskyers tidligere og fremtidige fordeling.
Illustris er derfor blandt meget andet en slags tidsmaskine, hvormed forskerne kan rejse både frem og tilbage i tiden og studere universets fødsel, udvikling og ultimative skæbne. De kan også standse tiden og gå ind og nærstudere en enkelt galaksehob eller galakse selv og undersøge dens udviklingsstade og kemiske sammensætning. Simulationen kan eksempelvis skifte mellem visning af parametre som tætheden af mørkt stof, gastemperaturer eller grundstoffer.
En anden indikation af programmets styrke er, at Illustris gør det muligt at slutte fra en simulation til virkeligheden i stedet for omvendt. Astronomerne analyserer for eksempel stjerners lysspektrum for at udlede deres masse, alder og opbygning, men simulationen skaber jo selv alle himmellegemer og kender deres udvikling fra universets fødsel.
Programmet gør det derfor muligt at beregne, hvordan en given stjernes lysspektrum vil se ud i virkeligheden og se, om det holder. Samtidig medfører den store opløsning, at astronomerne kan sammenligne nærbilleder af f.eks. galakser med tilsvarende galakser i det virkelige univers. Simulationen har en næsten chokerende lighed med virkeligheden.
Den utroligt avancerede computeranimation er skabt af specialister fra MIT/Harvard-Smithsonian Center for Astrofysik (CfA) med hovedkvarter i Massachusetts i et tværfagligt samarbejde mellem Smithsonian Astrophysical Observatory og Harvard College Observatory foruden Space Telescope Science Institute i Baltimore og Institute for Advanced Study i Princeton.
Også europæiske forskningsinstitutioner som Heidelberg Institut for Teoretiske Studier i Tyskland, Kavli Institute for Cosmology samt Institute of Astronomy i Cambridge i England har bidraget til udviklingen.
Prisen for Illustris er ukendt, men projektet er blandt andet blevet finansieret af German Research Foundation og Alexander von Humboldt-fonden i Tyskland samt European Research Council og NASA.
Nu venter adskillige analyser og tolkning af de forskellige resultater. Men du har også selv mulighed for at lege med programmets visninger.
Forskerne bag Illustris planlægger nemlig at frigive alle resultater og data til uindskrænket brug for offentligheden. Frigivelsen er foreløbig berammet til første kvartal af 2015 og vil også omfatte billedmateriale i fuld opløsning. Det vil dog fylde et par hundrede TB, så regn ikke med lige at downloade materialet via routeren derhjemme. Du vil dog kunne bestille udsnit af udvalgte galaksehobe.
Illustris-teamet har allerede nu lagt en kort sekvens af simulationen ud på nettet. Denne og meget andet om projektet kan findes på www.illustris-project.org.