Erken Evrenin En Büyük Simülasyonu: Lumina Projesi Kozmosun Sırlarını Aydınlatıyor

Evrenin kökeni, tüm zamanların en büyük bilimsel gizemlerinden biri olmaya devam ediyor. Bilim insanları, Büyük Patlama modeli, kozmik enflasyon ve kuantum kozmolojisi önerileri de dahil olmak üzere evrenin nasıl başladığına dair çok sayıda teori ve test edilebilir öngörü geliştirdi.

Bu teorileri test etmek amacıyla, Harvard ve Smithsonian ortaklığındaki Astrofizik Merkezi'nden (Center for Astrophysics) araştırmacılar, erken evrenin daha önce yapılmış tüm simülasyonlardan çok daha büyük ölçekli bir modeli olan Lumina Projesi'ni hayata geçirdi.

Royal Astronomical Society'nin Aylık Bildirimleri'nde yayımlanan simülasyonun detayları, evrenin ilk 2 milyar yılı boyunca normal madde, karanlık madde ve radyasyonun nasıl etkileşime girdiğini, her bir kenarı yaklaşık 1,5 milyar ışık yılı uzunluğunda bir küp bölgeyi kapsayacak şekilde ortaya koyuyor.

Karşılaştırma yapmak gerekirse, bu alandaki bir önceki rekorun sahibi 2022'deki Thesan simülasyonuydu. Thesan, erken evrenin yaklaşık bir milyar yılını, kabaca 300 milyon ışık yılı genişliğinde bir küp bölgesinde simüle etmişti.

Lumina'nın bu inanılmaz detay seviyesine ulaşması, büyük ölçüde NASA'nın James Webb Uzay Teleskobu (JWST) ve en eski gök cisimlerini gözlemlemeye hatırı sayılır zaman ayıran diğer teleskoplar sayesinde mümkün oldu. Bilim insanları, bu antik uzay nesnelerine bakarak erken evrenin neye benzemiş olabileceğine dair en azından bazı fikirleri bir araya getirebildi.

Çalışmanın başyazarı Oliver Zier yaptığı açıklamada, "JWST ile erken evren, astrofizikte heyecan verici yeni bir sınır haline geldi. Bu teleskopla gördüklerimizi anlamak için teorilerimizi ayrıntılı öngörülere dönüştürmemiz gerekiyor" dedi.

Simülasyon, Tennessee'deki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda bulunan Frontier süper bilgisayarında oluşturuldu. Sistem genelinde yaklaşık 37.000 GPU'ya sahip olan Frontier'ın yaklaşık 15.000 GPU'su Lumina Projesi için kullanıldı.

Bu devasa işlem gücü, simülasyonun şimdiye kadar yapılmış en büyük ve en detaylı simülasyon olmasını sağlayarak araştırmacılara üzerinde çalışabilecekleri pek çok benzersiz özellik sundu.

Bunun bir örneği, bilim insanlarının erken evrende gerçekleştiğine inandığı helyum yeniden iyonlaşması süreci. O dönemde evren o kadar sıcaktı ki neredeyse tüm madde iyonize haldeydi, yani yüklü parçacıklardan oluşuyordu. Büyük Patlama'dan yaklaşık 380.000 yıl sonra evren soğuduğunda, atomlar birleşerek normal hidrojen ve helyumu oluşturmaya başladı. Ardından, görece kısa bir süre sonra ilk nesil yıldızlar ortaya çıktı ve yakınlardaki hidrojen ve helyum atomlarını yeniden iyonlaştırmaya yetecek kadar morötesi ışık yaydı.

Oliver Zier, "Lumina hem hidrojen hem de helyum yeniden iyonlaşmasını takip ediyor. Bu, bu süreçleri tek bir tutarlı simülasyonda birlikte incelememize olanak tanıyor; yani model içinde yeniden iyonlaşma meydana gelirken etkilerinin evrilen evreni anında etkilemesini sağlıyor" diye konuştu.

Makalenin yazarlarından ve Dallas'taki Texas Üniversitesi'nde fizik doçenti olan Aaron Smith, ekibin Lumina gibi simülasyonlar inşa edebildiği için inanılmaz derecede şanslı olduğunu belirtti. Smith yaptığı açıklamada, "İlk kez, hem hidrojenin hem de helyumun evrenin bu kadar muazzam bir hacminde modern formlarına dönüşürken, bu dönüşümü yönlendiren galaksileri ve diğer ışık saçan nesneleri de çözümleyerek takip edebiliyoruz" dedi.

Lumina'nın temel işlevi, bilim insanlarının erken evren hakkındaki teorileri test edip doğrulamalarına ve fizik anlayışlarının simülasyonun sonuçlarıyla uyuşup uyuşmadığını değerlendirmelerine yardımcı olmak.

Ekip simülasyonu şimdiden bazı ilginç öngörülerde bulunmak için kullandı. Bunlardan biri, erken evrende James Webb Uzay Teleskobu gözlemlerinin işaret ettiğinden "daha az sayıda devasa galaksi" bulunduğu yönünde. Simülasyon ayrıca, JWST tarafından tespit edilen ve bazı bilim insanlarının artık kara delik yıldızları olduğuna inandığı gizemli küçük kırmızı noktaları da barındırıyor.

Simülasyonun bir diğer avantajı ise, erken evrene dair çok sayıda etkileşimi, farklı sıcaklıklardaki gazların birbirine karışmasını, kimyasal reaksiyonları ve erken galaksilerle yıldızların konumlarını gösteren gerçekten büyüleyici görüntüler sunması. Simülasyon, karanlık madde ve karanlık enerjinin nerede olacağını da doldurduğu için, ortaya renkli bulutlar, iplikçikler ve liflerden oluşan etkileyici bir bütün çıkıyor.

Yukarıdaki videoyu ele alalım. Tüm Lumina simülasyon hacminin geniş bir çekimiyle başlıyor, ardından neredeyse bomboş uzaydaki tek bir galaksiye yakınlaşarak bu simülasyonun gerçekte ne kadar uçsuz bucaksız olduğunu gösteriyor. Videoyu neredeyse herhangi bir noktada duraklatarak harika bir ekran görüntüsü yakalamak mümkün.

Bir sonraki video ise izleyiciyi simülasyonun içindeki devasa bir halenin içinden geçiriyor. Karanlık madde yoğunluğu, gaz sıcaklığı, gaz metalikliği (kozmik gazdaki daha ağır elementlerin miktarı) ve yıldız ışığı gibi çeşitli katmanlar eklenerek başlıyor. Videonun sonunda katmanlar kapatılıyor ve geriye bir galaksi kümesi kalıyor.

Lumina Projesi, gaz yoğunluklarından hidrojen ve helyum yeniden iyonlaşmasına kadar her şeyi gözler önüne seren 15 etkileyici videoya sahip.