Najnovije istraživanje provedeno na superračunalu Frontier u Oak Ridge National Laboratory američkog Ministarstva energetike, a objavljeno u The Astrophysical Journal, donosi dosad najdetaljniji uvid u to kako galaksije reguliraju goleme količine energije koje iz svojih središta ispuštaju supermasivne crne rupe. Riječ je o procesima koji određuju razvoj i stabilnost najvećih struktura u svemiru.
Crne rupe, čija masa doseže milijarde puta veću masu od Sunca, pokreću fenomene poznate kao aktivne galaktičke jezgre. One kontinuirano izbacuju toplinu, plin i prašinu u okolinu. Dio materijala ostaje gravitacijski vezan u svijetlim akrecijskim diskovima, dok se drugi širi daleko izvan granica galaksije.
“Naša je osnovna želja bila razumjeti kako se te galaksije samoreguliraju kroz povijest svemira”, izjavio je Brian O’Shea, računalni astrofizičar sa Sveučilišta Michigan State i jedan od autora studije. “Skupovi galaksija najveće su strukture koje postoje, protežu se milijunima svjetlosnih godina, a u njihovim središtima nalaze se crne rupe veće od cijeloga Sunčeva sustava. Toplina i materijal neprekidno se izbacuju u obliku mlazova, recikliraju i ponovno vraćaju u galaktičku atmosferu.”
O’Shea ističe da se sada prvi put moglo pokušati odgovoriti na ključna pitanja: gdje završavaju energija i materijal, kako turbulencija oblikuje strukture unutar skupova galaksija i na koji način ti sustavi uspijevaju milijardama godina zračiti toplinom a da se pritom ne uruše. “Takva razina preciznosti jednostavno nije bila moguća prije nego što smo dobili pristup Frontieru”, dodao je.
Simulacije na razini bez presedana
U središtu modela korištenih u ovoj studiji nalazila se crna rupa mase od približno milijardu Sunčevih masa, smještena u skupu galaksija čija je ukupna masa oko kvadrilijun puta veća od mase Sunca, otprilike tisuću puta veća od mase Mliječne staze. Istraživači su pratili evoluciju tog sustava kroz milijarde godina, rekonstruirajući svaki ciklus mlazne aktivnosti.
“Ti su mlazovi ekstremno brzi, toliko da smo morali umjetno ograničiti njihovu brzinu na oko pet posto brzine svjetlosti, čak i na Frontieru”, rekao je Philipp Grete, računalni astrofizičar s zvjezdarnice u Hamburgu. “Unatoč tomu simulacija je zahtijevala oko dva milijuna pojedinačnih koraka.”
Za izvođenje simulacija tim je koristio AthenaPK, otvoreni kod za astrofizičku magnetohidrodinamiku temeljen na okviru Parthenon. Ukupno je bilo potrebno 700 tisuća sati rada računskih čvorova i 17.088 grafičkih procesora. Prednosti Frontierova tehničkog kapaciteta bile su ključne jer slična razina vremenskog raspona i rezolucije ne bi bila izvediva ni na jednom drugom superračunalu.
“Jedno od dugotrajnih pitanja glasilo je mogu li takvi sustavi ostati stabilni kroz milijarde godina”, napomenuo je Grete. “Do sada je najveći izazov bio osigurati da simulacija dovoljno dugo traje kako bismo mogli promatrati sve procese i razumjeti detalje. Frontier je to omogućio kombinacijom memorije, pohrane i ogromne računske snage GPU-a.”
Novi uvidi u nastanak filamenata i ulogu magnetskih polja
Frontier, sposoban za gotovo 2 eksaflopa, odnosno dvije kvintilijarde kalkulacija u sekundi, omogućio je istraživačima da prvi put prikažu formiranje plinovitih filamenata s takvom razinom detalja. Slične strukture uočene su u poznatom Perzejevom skupu galaksija, koji obuhvaća više od tisuću galaksija na udaljenosti od oko 240 milijuna svjetlosnih godina od Zemlje.
“Ovo je prva studija koja je uspjela reproducirati taj fenomen”, rekao je O’Shea. “Do sada nije bilo moguće pratiti evoluciju filamenata jer su ti skupovi toliko golemi. Njihovo stvaranje dugo je bilo nerazjašnjeno, a sada znamo da nastaju zahvaljujući turbulenciji koja se javlja pri interakciji hladnih plinova s vrućom međugalaktičkom plazmom, dijelom zagrijanom i do 100 milijuna Kelvina, te magnetskim poljima koja ih okružuju.“
Rezultati pokazuju da upravo magnetska polja imaju presudnu ulogu u održavanju stabilnosti skupova galaksija kroz kozmičko vrijeme. Tim planira proširiti istraživanje uključivanjem dodatnih fizikalnih procesa, poput djelovanja kozmičkih zraka ili dodatnih plazmatskih pojava.
“Tek počinjemo otkrivati ulogu koju imaju magnetska polja i turbulentna plazma”, naglasio je O’Shea. “Povećanjem razine razumijevanja ovih procesa mogli bismo dobiti uvide koji se ne odnose samo na skupove galaksija nego i na supernove ili čak turbulenciju u fuzijskim tokamacima. Što detaljnije analiziramo podatke, to dublje prodiru tajne ovih složenih sustava.”
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
