Lumina: Frontier süper bilgisayarında evrenin ilk iki milyar yılını canlandıran simülasyon

Harvard ve Smithsonian Astrofizik Merkezi'nden (CfA) Oliver Zier'in öncülüğündeki bir ekip, erken evrenin şimdiye kadarki en kapsamlı simülasyonlarından birini tamamladı. Lumina adlı model, Büyük Patlama'dan sonraki ilk yaklaşık iki milyar yılda sıradan madde, karanlık madde ve ışınımın birbirini nasıl etkilediğini aynı anda hesaplıyor. Projenin tanıtım makalesi Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dergisinde yayımlandı.

Simülasyon, ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki Frontier süper bilgisayarında çalıştırıldı. Proje sayfasına göre hesaplama 105.504 işlemci çekirdeği ve 7.536 AMD grafik işlemcisi kullandı.

Evrenin sisinin dağıldığı çağ

Lumina'nın odağında "yeniden iyonlaşma" denen dönem var. Evren genç ve sıcakken madde elektronlarından ayrılmış, yani iyonlaşmış hâldeydi. Soğudukça elektronlar çekirdeklere bağlandı ve evren nötr hidrojen ve helyumla doldu. İlk yıldızlar, gökadalar ve beslenen kara delikler ışımaya başladığında bu gazı yeniden iyonlaştırdılar. Hidrojeni iyonlaştırmak için yıldız ışığı yeterli; ama helyumun ikinci elektronunu koparmak çok daha enerjik ışınım gerektirdiğinden bu iş daha çok aktif gökada çekirdeklerine, yani madde yutan dev kara deliklere düşüyor.

James Webb Uzay Teleskobu'nun bu çağdan gökadaları görmeye başlamasıyla, gözlemleri kuramla karşılaştırabilmek için ayrıntılı öngörülere ihtiyaç arttı. Lumina'nın amacı tam olarak bu: Gökadaların ve kara deliklerin ışınımının gökadalar arası gazı nasıl dönüştürdüğünü, kozmik ölçekte ve tek bir tutarlı modelde göstermek.

Rakamlarla Lumina

Makaleye göre simülasyon, kenar uzunluğu 500 megaparsek (yaklaşık 1,6 milyar ışık yılı) olan küp biçiminde bir evren parçasını izliyor. Hacim 2×6000³, yani yaklaşık 432 milyar hesap öğesine bölünmüş. Sıradan madde için çözünürlük yaklaşık 3,6 milyon Güneş kütlesi, karanlık madde için 19 milyon Güneş kütlesi. Hesap, Büyük Patlama'dan kısa süre sonrasına karşılık gelen 49 kırmızıya kayma değerinden başlayıp 3 değerine kadar sürüyor.

Model, hareketli ağ yöntemiyle çalışan AREPO kodunu, daha önceki ünlü IllustrisTNG projesinin gökada oluşum modeliyle birleştiriyor. Işınımın gazın içinde nasıl ilerlediği, grafik işlemcileriyle hızlandırılmış bir çözücüyle altı ayrı enerji aralığında, simülasyon ilerlerken anlık olarak hesaplanıyor. Proje sayfasına göre ışınım kaynakları arasında yıldızlar, aktif gökada çekirdekleri, X ışını çiftleri ve şok dalgalarıyla ısınan gaz yer alıyor.

Simülasyonun öngörüleri

Lumina'da hidrojenin yeniden iyonlaşması geç ve ağırlıklı olarak yıldız ışığıyla gerçekleşiyor. Tipik bir bölge kırmızıya kayma 5,2 civarında tamamen iyonlaşıyor, ama nötr hidrojen adacıkları kırmızıya kayma 4,75'e kadar dayanıyor. Helyumun ikinci iyonlaşması ise aktif gökada çekirdeklerince yürütülüyor ve kırmızıya kayma 3'e gelindiğinde neredeyse tamamlanıyor. Bu son evre, gökadalar arası gazda belirgin bir ısınma da bırakıyor.

Ekip modelin gözlemlerle uyumunu da sınadı: Simülasyonun öngördüğü ve kozmik mikrodalga arka planını etkileyen saçılma değeri, Planck uydusunun ölçümüyle çok iyi uyuşuyor. Gazın sıcaklık geçmişi ve arka plan ışınımı da gözlemlerle genel olarak tutarlı. Gökada nüfusu özgün IllustrisTNG ile uyumlu kalırken daha büyük hacim, parlak kuasarlar gibi nadir cisimlerin ve büyük ölçekli ortamların çok daha iyi istatistikle incelenmesini sağlıyor.

Sınırlar ve sırada ne var?

Her kozmolojik simülasyon gibi Lumina da yıldız oluşumu ve kara delik beslenmesi gibi çözünürlüğün altında kalan süreçleri basitleştirilmiş tariflerle ele alıyor; sonuçlar bu tariflerin doğruluğuna bağlı. Milyonlarca Güneş kütlesindeki çözünürlük, en küçük gökadaların ayrıntısını izlemeye yetmiyor. Yine de proje şimdiden yeni çalışmalar üretmeye başladı: Eylül ayında iyonlaşmış kabarcıklar ve nötr adacıklar, Ekim ayında da gökadalar arası gazın topaklanması üzerine makaleler yayımlandı. Ekip, verileri bir portal aracılığıyla araştırmacılara açıyor; Webb ve gelecekteki gözlemlerin bu öngörülerle karşılaştırılması, yeniden iyonlaşmanın gerçek takvimini netleştirebilir.