MIT, Harvard Üniversitesi ve diğer kurumlardaki araştırmacılar tarafından geliştirilen Lumina adlı simülasyon, yaklaşık 1,6 milyar ışık yılı genişliğindeki bir bölgede evrenin erken dönem evrimini yeniden yaratıyor. 2 milyar yıllık kozmik tarihi takip eden simülasyon, galaksilerin nasıl oluştuğunu, radyasyonun uzayda nasıl yayıldığını ve evrenin ışığa karşı nasıl kademeli olarak şeffaf hale geldiğini ortaya koyuyor.

Kraliyet Astronomi Derneği Aylık Bildirilerinde (MNRAS) yayınlanan araştırma, güneş sistemimiz var olmadan milyarlarca yıl önce meydana gelen olayların alışılmadık derecede ayrıntılı bir resmini sunuyor.

Evren Kozmik Karanlık Çağına Nasıl Girdi?

Hikaye, evrenin elektronlar ve diğer atom altı parçacıklarla dolu, son derece sıcak ve yoğun bir halde bulunduğu Büyük Patlama ile başlar. Başlangıçta tek bir atomdan daha küçük olarak tanımlanan bu ilkel plazma, evren büyüdükçe hızla genişledi ve soğudu.

Sonunda, parçacıklar elektronların atom çekirdekleriyle birleşebileceği ve elektriksel olarak nötr hidrojen üretebileceği kadar yavaşladı. Büyük Patlamadan yaklaşık 380.000 yıl sonra, evren kozmik “karanlık çağ” olarak bilinen bir döneme girdi.

Evren, Büyük Patlamadan kalan radyasyonun büyük bir kısmına karşı şeffaf hale gelmiş olsa da, evreni aydınlatacak yıldızlar henüz oluşmamıştı. Uzay, nötr hidrojenle doluydu ve bu hidrojen, daha sonra ilk yıldızlardan yayılacak olan ultraviyole ışık da dahil olmak üzere belirli radyasyon türlerini emebiliyordu.

Lumina, araştırmacılara bu erken dönem ortamının nasıl evrimleştiğini ve sonunda karanlık çağın sona ermesine yardımcı olan galaksilerin, yıldızların ve diğer yapıların nasıl ortaya çıktığını inceleme olanağı sağlıyor.

İlk Yıldızlar ve Kara Delikler Evreni Nasıl Dönüştürdü?

Simülasyon, yaklaşık 1,6 milyar ışık yılına eşdeğer, 500 megaparseklik devasa bir bölgeyi kapsıyor. Bu hacim içinde Lumina, karanlık maddeyi, gazı, yıldızları ve radyasyonu (fotonlar gibi) takip ederek hem maddenin muazzam mesafelerdeki davranışını hem de tek tek galaksilerin oluşumunu yakalıyor.

En önemli başarılarından biri, evrenin ilk dönemlerindeki iki büyük değişimi yeniden yaratmasıdır: hidrojenin yeniden iyonlaşması ve helyumun yeniden iyonlaşması.

Hidrojenin yeniden iyonlaşması, ilk yıldızlar ve galaksilerin giderek artan miktarda ultraviyole radyasyon üretmesiyle başladı. Bu enerjik ışık, nötr hidrojen atomlarından elektronları uzaklaştırdı; bu işleme gazın “yeniden iyonlaşması” denir. Daha fazla hidrojen iyonlaştıkça, evren ultraviyole ışığa karşı giderek daha şeffaf hale geldi ve radyasyonun çok daha büyük mesafelere yayılmasına olanak sağladı.

Bu dönüşüm, erken evrende baskın olan yaygın nötr hidrojeni temizlemeye yardımcı oldu. Lumina, bu süreci olağanüstü ayrıntılarla yeniden üreterek, ilk nesil yıldızlardan gelen radyasyonun uzaydaki koşulları nasıl kademeli olarak değiştirdiğini gösteriyor.

Simülasyon ayrıca, helyumdan elektronları koparmak için önemli ölçüde daha enerjik radyasyon gerektiren helyumun yeniden iyonlaşmasını da takip eder.

Sonuçlar, bu iki dönüşümü yönlendiren farklı kaynaklara işaret ediyor. Erken dönem yıldızları ve galaksiler, hidrojeni iyonlaştırmaktan öncelikle sorumlu gibi görünürken, aktif olarak beslenen süper kütleli kara delikler, helyumu iyonlaştırmak için gereken yoğun radyasyonu sağlıyordu.

Bu, her iki süreci birlikte yakalayan ilk simülasyon olup, erken evrenin nasıl değiştiğine dair daha kapsamlı bir bakış açısı sunmaktadır.

MIT’de fizik profesörü ve çalışmanın yazarı Mark Vogelsberger, “Lumina, küçük ölçekli yıldız ve galaksi oluşumundan, hidrojen ve helyumun büyük ölçekli yeniden iyonlaşmasına kadar her şeyi, önceki en iyi simülasyonlardan 100 kat daha büyük bir hacimde gerçekleştiriyor” diyor.

Araştırmacılar, Lumina’yı diğer bilim insanlarının kullanımına açarak, erken dönem kozmik yapılar hakkındaki tahminlerinin mevcut ve gelecekteki teleskoplardan elde edilen gözlemlerle karşılaştırılmasına olanak tanıyor. Bu tür karşılaştırmalar, araştırmacıların ilk galaksileri ve yıldızları şekillendiren olayları daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir.

Yarım Trilyon Elementle Sanal Bir Evren İnşa Etmek

Lumina adını Latince “ışıklar” anlamına gelen kelimeden alıyor. Temel teknolojisi, MIT ve diğer kurumlardaki bilim insanları tarafından geliştirilen ve Lumina araştırma ekibinin üyelerini de içeren daha önceki bir simülasyon olan IllustrisTNG üzerine kuruludur.

IllustrisTNG, Büyük Patlamadan günümüze kadar karanlık madde, gaz ve diğer fiziksel süreçlerin etkileşimlerini izleyerek galaksilerin nasıl oluştuğunu ve evrimleştiğini modeller.

Lumina’yı oluşturmak için araştırmacılar, mevcut yazılımı, çok daha geniş bir uzay bölgesinde galaksi oluşumunu karşılaştırılabilir ayrıntıda yeniden üretebilecek şekilde geliştirdiler. Ayrıca, ultraviyole radyasyon da dahil olmak üzere ışığın evrende nasıl hareket ettiğini ve çevredeki maddeyle nasıl etkileşime girdiğini hesaplayan bir radyasyon taşıma modelini de entegre ettiler.

Bu iyileştirmeler bir araya geldiğinde, simülasyonun hem galaksilerin oluşumunu hem de radyasyonun kozmik mesafeler boyunca yarattığı muazzam değişiklikleri izlemesine olanak tanır.

Ortaya çıkan model, karanlık madde parçacıkları ve gazı temsil eden hücreler de dahil olmak üzere yaklaşık yarım trilyon ayrı element içermektedir. Önceki önde gelen simülasyonlara göre hacim olarak 100 kat daha büyük bir bölgeyi kapsarken, IllustrisTNG’nin çözünürlüğünün yaklaşık 30 katını sağlamaktadır.

Milyarlarca yıllık etkileşimleri bu kadar çok unsur arasında yeniden yaratmak olağanüstü hesaplama kaynakları gerektiriyor. Araştırmacılar, Tennessee’deki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda bulunan dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarından biri olan Frontier’ı kullandılar.

MIT’den çalışmanın ortak yazarlarından Xuejian (Jacob) Shen, “En yüksek ölçekte, bu hesaplama 100.000’den fazla CPU çekirdeği ve yaklaşık 15.000 GPU’ya eşdeğer bir işlemi bir araya getiriyor” diyor. “Trilyonlarca etkileşimli bilgi parçasını sürekli olarak geliştirirken tüm bu işlemcilerin verimli bir şekilde iletişim kurmasını sağlamak, başlı başına olağanüstü bir bilgisayar mühendisliği başarısıdır.”

Karanlıktan İlk Galaksilerin Ortaya Çıkışını İzlemek

Lumina, Büyük Patlamadan yaklaşık 45 milyon yıl sonra, evrende nötr hidrojenin baskın olduğu bir dönemde başlar.

Araştırmacılar, simülasyonu bilim insanlarının o döneme dair anlayışına dayalı koşullar kullanarak başlattılar. Ardından, modelin kozmik zaman ilerledikçe gaz ve karanlık maddenin yarım trilyon elementi boyunca nasıl etkileşimde bulunduğunu hesaplamasına izin verdiler.

Aynı zamanda Lumina, ortaya çıkan yıldızların ürettiği ultraviyole ışık da dahil olmak üzere, radyasyonun nasıl ortaya çıktığını, yayıldığını ve maddeyle nasıl etkileşime girdiğini izledi.

Sonuç olarak, bilim insanlarının maddenin muazzam kozmik mesafelerdeki düzenlenmesinden tek bir galaksinin gelişimine kadar, son derece farklı ölçeklerde keşfedebilecekleri sanal bir evren ortaya çıkıyor.

Proje web sitesinde araştırmacılar, bu süreçleri gösteren videolar yayınladılar. Bunlardan biri, simüle edilen bölgenin tamamından tek bir disk şeklindeki galaksiye “yakınlaştırma” imkanı sunuyor. Diğeri ise, hidrojenin yeniden iyonlaşmasının 2 milyar yıl boyunca evrene nasıl yayıldığını gösteren, tüm hacmin zaman atlamalı bir görüntüsünü sunuyor.

Zier, “Bir yandan evrendeki karanlık maddeyi ve gazı evrimleştiriyor, diğer yandan da radyasyonun nasıl yayıldığını takip ediyor,” diye açıklıyor. “Karanlık madde ve gazın bu aşırı yoğunluklarda kümelenmeye başladığını görüyoruz. Ve yakından baktığımızda, gazın bu karanlık madde halelerine düştüğünü görebiliyoruz. Daha da yakından baktığımızda, ilk galaksilerin burada oluştuğunu görüyoruz. Ve ilk yıldızlar bu ilk galaksilerde oluşuyor. Bu yıldızlar daha sonra radyasyon üretiyor. Simülasyon daha sonra bu radyasyonu takip ediyor ve bu radyasyonun yıldızlardan, evren boyunca nasıl yayıldığını, bir noktada nötr hidrojeni iyonlaştırana kadar nasıl ilerlediğini görebiliyoruz.”

Lumina’nın en belirleyici güçlü yönlerinden biri, birbirinden çok farklı ölçekler arasında hareket edebilme yeteneğidir. Araştırmacılar, tek tek galaksilerin oluşumunu incelerken aynı zamanda bunların birleşik radyasyonunun evreni çok daha büyük bir ölçekte nasıl etkilediğini de gözlemleyebilirler.

Vogelsberger, “Diğer simülasyonlar bu kadar yakınlaştırma yapamıyor,” diye belirtiyor. “Simüle ettiğimiz en küçük ve en büyük ölçekler arasındaki fark, diğer tüm simülasyonlardan daha büyük.”

Evrenin En Eski Tarihini Keşfetmenin Yeni Bir Yolu

Araştırma ekibi, Lumina’yı kullanarak evrenin erken dönemlerindeki maddenin büyük ölçekli düzenini incelemeyi planlıyor. Simülasyon ayrıca eski galaksiler ve kara delikler tarafından üretilen yerçekimi dalgalarının modellerini tahmin etmeye de yardımcı olabilir.

Bir diğer önemli fırsat ise Lumina’nın sanal evrenini gerçek gözlemlerle karşılaştırmaktan kaynaklanacak. Yeni ve gelecekteki teleskopların, çok sayıda uzak galaksi hakkında giderek daha ayrıntılı bilgiler toplaması ve bilim insanlarına erken evren hakkındaki anlayışlarını test etmek için yeni yollar sunması bekleniyor.

Lumina, çok geniş bir uzay hacmini simüle ettiği için, bu gözlemlerle doğrudan karşılaştırılabilen kapsamlı galaksi popülasyonları üretebilir.

Shen, “Lumina’nın en büyük avantajlarından biri muazzam boyutudur,” diyor. “Çok büyük miktarda simüle edilmiş galaksi popülasyonu üretiyor ve bu da nihayet önümüzdeki araştırmaların gözlemleyeceği çok büyük galaksi örnekleriyle karşılaştırmalar yapmamıza olanak tanıyor.”

Lumina, galaksi oluşumu, karanlık madde, gaz ve radyasyon hareketine dair detaylı verileri bir araya getirerek araştırmacılara evrenin en erken dönemlerini yeniden yapılandırmak için güçlü bir araç sunuyor. Bu araç, yalnızca ilk galaksilerin nasıl şekillendiğini değil, aynı zamanda yıldızlarının ve kara deliklerinin çevrelerindeki kozmosu nasıl dönüştürdüğünü de açıklamaya yardımcı olabilir.

Araştırma Ekibi ve Destek

Çalışmanın MIT’deki yazarları arasında Mark Vogelsberger, Xuejian (Jacob) Shen ve Teodora-Elena Bluichi yer alıyor. Diğer katkıda bulunanlar arasında ilk yazar Oliver Zier (Vogelsberger Laboratuvarı’nda eski bir doktora sonrası araştırmacı), Harvard ve Smithsonian Astrofizik Merkezi’nden Rongrong Liu, Sonja Koehler ve Lars Hernquist; Dallas’taki Texas Üniversitesi’nden Aaron Smith; Kanada’daki York Üniversitesi’nden Rahul Kannan; ve Almanya’daki Max Planck Astrofizik Enstitüsü’nden Volker Springel ve Rüdiger Pakmor bulunmaktadır.

Araştırma kısmen NASA ve Ulusal Bilim Vakfı’ndan destek almıştır. Ayrıca, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi bünyesindeki İleri Bilimsel Hesaplama Araştırma programları tarafından desteklenen Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki Oak Ridge Liderlik Hesaplama Tesisi’ndeki hesaplama kaynaklarını da kullanmıştır.