Vesmír ve vašem počítači: Chcete ho?

V průběhu dvacátého století se náš pohled na vesmír změnil k nepoznání a pánové Koperník nebo Brahe by jistě oněměli úžasem. Způsob, jakým posouváme hranice našeho poznání, se diametrálně změnil od toho, co astronomové podstupovali nejen před sto, ale i před třiceti lety. Pozorování a zapisování do deníků, složité výpočty? To je minulostí, dneska je největší devizou astronomů schopnost programovat, protože pro mnohé výpočty je počítač jediným možným nástrojem. Ale pozor, rozhodně ne proto, že lidská mysl by nebyla velkých výpočtů schopna. Jde čistě o časovou náročnost.

Díky tomu, jak rychle jde dopředu vývoj procesorů, dramaticky se zkracuje čas pro nejnáročnější výpočty a simulace. To, co před pár lety musel udělat superpočítač, dneska zvládne po chytrém nastavení výpočet spuštěný na grafickém procesoru do dvou hodin. Astronomové si tak mnou ruce, protože zatímco veškeré simulace vesmíru, které byly doposud k dispozici, počítaly především s gravitační interakcí a zanedbaly mnohé vlivy, Illustris (dostupný TADY) naopak zahrnuje všechny možné fyzikální interakce a věrně tak napodobuje formaci našeho vesmíru a struktur v něm.

Trailer na Illustris aneb Vítejte ve skutečném Matrixu:

Celá simulace byla spuštěna s parametry, které odpovídají vesmíru ve stáří 300 000 let (o vesmíru mladším nemáme dostatečně přesné informace). Jak se to dělá? Do programu se vepíší rovnice popisující fyzikální fenomény, které se ohraničí hodnotami, které známe z pozorování mladého vesmíru – a pak se tento jednoduše znějící program spustí a během relativně krátké doby v něm vznikne celá struktura vesmíru – od kup galaxií spojených tenkými blánami tvořenými plynem po jednotlivé galaxie a hvězdy v nich.

Simulace vesmíru dnešního stáří, vycentrovaná na hmotnou kupu galaxií. Modrá strana ukazuje hustotu temné hmoty, zatímco oranžová strana ukazuje hustotu plynu ve vesmíru. Zdroj Illustris.

Vesmír, jak jej stvoří Illustris, je nápadně podobný tomu našemu. Hmota (viditelná i ta temná) se shlukuje, jak jí velí gravitace, plyn poslouchá zákony mechaniky kapalin a formují se nejenom hvězdy, ale i černé díry. To, co dělá Illustris unikátní, je právě simulace hydrodynamiky plynů – díky tomu můžeme sledovat simulovaný život galaxií a jejich vývoj od ‘malička’ až po staré ‘mrtvé’ galaxie. Vůbec poprvé jsme byli schopni nasimulovat to, že hvězdy po svém zrodu začnou interagovat se svým okolím skrz chemické procesy…

Zkrátka a dobře, tak detailně jsme vesmír nasimulovaný ještě neměli. Jak je detailní? Naše galaxie má v průměru 30 kiloparseků (asi 98 000 světelných let), rozlišení simulace je 160 světelných let, což je zhruba polovina naší vzdálenosti k Polárce. Rozměr celé simulace (nasimulovat kompletní vesmír opravdu nejde), je zhruba 350 miliónů světelných let a vejde se do ní 41 416 individuálních galaxií, které přežijí do konce simulace. Pokud byste takovou simulaci chtěli spustit na vašem počítači, tak na jednom CPU by trvala 19 milionů hodin.

Bude levnější chleba?

A proč to děláme? Pokud věříme tomu, že naše znalosti fyziky jsou správné, tak pomocí takové simulace můžeme porovnávat to, jaký vesmír pozorujeme a jak vypadá nasimulovaný. Pokud v reálu vidíme nějakou netypickou galaxii a najdeme jí dvojníka v nasimulovaném vesmíru, můžeme se vrátit v čase a vystopovat interakce, které vedly ke vzniku podivného objektu a posunout tak dál naše reálné znalosti.

Vzorek galaxií, které vznikly po spuštění simulace. Zdroj Illustris.

Pokud se chcete pustit do zkoumání vesmíru ze všech možných pohledů, navštivte JEJICH WEB. V pravém horním rohu si můžete zvolit, zda-li chcete vidět vesmír ve viditelném světle (star composite), nebo jestli chcete vidět prolnutí s temnou hmotou. Nebo něco úplně jiného. A pak můžete přibližovat, oddalovat, posouvat… Šťastný průlet vesmírem!

Jana Poledniková