Kosmologisk simulering


Kort forklaring: En kosmologisk simulering er en computersimulering af et stort udsnit af Universet, som man kan bruge til at lære om, hvordan Universets er bygget op, hvordan det udvikler sig, hvordan galakserne blev dannet, osv.


Hvordan skaffer vi os viden om Universet?

Når astronomer vil vide et eller andet om Universet, kan vi — i modsætning til kvantefysikere, biologer, kemikere, osv. — sjældent lave et eksperiment i et laboratorium. Hvis vi vil vide hvordan kæmpegasskyer kollapser og danner galakser, hvad der sker når to galakser støder sammen, hvordan stjerner og planeter bliver dannet, osv., kan vi i det store hele gøre tre ting:

Vi kan observere Universet. Men fordi de fleste processer i Universet sker på så lange tidsskalaer, at der går mange menneskealdre mellem synlige ændringer, ser vi så at sige kun still-billeder af hvad der sker. Til gengæld kan vi noget de andre ikke kan, nemlig kigge tilbage i tiden. Fordi lyset ikke bevæger sig uendelig hurtigt, kigger vi længere og længere tilbage i tiden, jo længere vi kigger ud i Universet. På den måde kan vi se hvordan Universet statistisk set har udviklet sig gennem tiden, men ikke hvordan en givet galakse udvikler sig.

Vi kan regne teoretisk. Men det er pissesvært, for Universet er superkompliceret, og matematiske ligninger kan oftest kun løses hvis man "idealiserer" sin problemstilling, altså gør en masse simplificerende antagelser. F.eks. antage at en galakse er kuglerund, med samme temperatur og tæthed over det hele. Ikke særlig realistisk, men det kan allivel tit give ret præcise svar, alt efter hvad det er man vil vide.

Vi kan bruge en computer. En computer kan egentlig ikke mere end et menneske, men den kan gøre det ca. en milliard gange hurtigere. Et regnestykke der ikke kan løses i hånden, kan ofte så at sige deles op i en million små løsbare regnestykker, der kan løses hver for sig, og tilsammen give et svar der ligger tæt nok på det "rigtige" svar til, at det kan bruges. Dem har man ikke tid til at løse i hånden, men på en computer tager det kun et splitsekund.

Det Nordisk Optiske Teleskop på La Palma, nogle kvantemekaniske udregninger ang. hydrogenmolekylet, og Danmark første computer, DASK, der havde en hukommelse på over 5000 bytes!

Smoothed particle hydrodynamics

En bestemt slags computersimuleringer kaldes "smoothed particle hydrodynamics" (SPH), og bruges ikke kun i astronomi, men også andre grene af fysikken, f.eks. i simuleringer af vindmøller, flyvemaskiner og havstrømme. Dynamik betyder hvordan noget udvikler sig med tiden, og hydro betyder egt. vand, men dækker generelt over alle væske- og gasarter, også under et kaldet fluider. Smoothed particle hentyder til, at man simulerer sit fluidum ved at repræsentere små dele af den med "partikler" som bevæger sig rundt, og som man i computeren forestiller sig er "tværet ud" over en del af rummet.

Et eksempel er nok bedst: Lad os sige, at jeg vil simulere hvordan vandet i en kasserolle opfører sig når jeg tænder for gassen. I en liter vand er der ca. 1025 (dvs. et 1-tal med 25 nuller efter) vandmolekyler. Dem der er tæt på bunden bliver varmet op, bevæger sig rundt og overfører varmeenergi til de koldere molekyler. I en computer kan man simulere dette med f.eks 1000 partikler, der så hver især repræsenterer 1/1000 af vandmolekylerne. Partiklerne er beskrevet i computeren ved deres position i kasserollen, deres hastighed, og deres temperatur. Jo flere partikler man bruger, jo mere computerkraft skal man bruge, men jo bedre opløsning får man, og dermed mere præcise resultater. Ligesom med et digitalbillede: Jo flere pixels, jo bedre opløsning, men jo flere Mb fylder det.

Fordi vi kun har 1000 partikler, vil der være mange steder i vores simulerede kasserolle, hvor der ikke er en partikel til at beskrive f.eks. temperaturen. Her kommer "smoothed"-begrebet ind, da man så forestiller sig temperaturen i et givet punkt som et gennemsnit af de omkringliggende partiklers temperaturer, "tværet ud" over den givne punkt (se figuren).

Bevægelserne rundt i kasserollen findes ved at løse ligningerne for de kræfter, der påvirker partiklerne. Det vil i dette tilfælde sige sammenstød med andre partikler, og tyngdekraft fra Jorden.



SPH-simulering af vandmolekylerne i en kasserolle. Hver partikel repræsenterer 1022 molekyler. De blå pile angiver hastighederne. Vil vi kende temperaturen ved det brune kryds, fås det som et vægtet gennemsnit af de omkringliggende partikler. Partikel 2 bidrager mest til gennemsnittet, partikel 3 lidt mindre, og partikel 6 en ganske lille smule.

Anvendelse i kosmologi

SPH kan også bruges til at simulere selve Universets udvikling i tiden. Fremgangsmåden er følgende:

Man kan selvfølgelig ikke simulere hele Universet, da det sikkert er uendeligt stort, så i stedet simulerer man et så stort volumen, at man regner med at det er nogenlunde repræsentativt for resten af Universet, dvs. helst mindst nogle 10 millioner lysår tværsover.

Simuleringen starter ikke i selve Big Bang (Universets fødsels), men "kort" tid efter, f.eks. nogle millioner år, hvor Universets var en tynd, lun suppe af næsten jævnt fordelt, eller homogen, gas. De kræfter der påvirker partiklerne, er i starten mest tyngdekraften. Så trykker vi på start, og ser hvad der sker. Fordi gassen ikke er fuldstændig homogen får tyngdekraften de tætte områder til at trække mere gas til sig og blive endnu tættere. Når gassen bliver tæt nok, begynder tryk-kræfter at spille ind, som modvirker tyngdekraften.

Alt dette er beskrevet ved nogle velfunderede fysiske ligninger, som fortæller, hvordan partiklerne bevæger sig rundt, tidsskridt efter tidsskridt. I hvert tidsskridt beregnes for hver partikel den tyngde- og trykkraft som alle de andre partikler påvirker den med. I de mest moderne simuleringer bruges over 10 milliarder (!) partikler, så det bliver til en del beregninger.

På figuren til højre ses et snapshot fra en kosmologisk simulering. Hvis man sætter alle snapshotsne sammen, kan man få en lille film over Universets udvikling. Det har jeg gjort her. I denne simulering er der dog kun medtaget tyngdekraft, ikke trykkraft, hvilket gør programmet lettere både at skrive og at køre.

Kosmologisk simulering af et volumen med en diameter paa ca. 20 mia. lysår. Her kan man se hvordan galakserne, der ikke fylder meget mere i dette billede end en lysprik, ikke er helt jævnt fordelt, men klumper sammen i filamenter.


Galaksedannelse

Er man ikke tilfreds med bare at kende Universets overordnede struktur, men vil vide mere om hvordan galakser bliver dannet og udvikler sig, er man nødt til at putte noget mere fysik ind i simuleringen.

Her kommer mere...

caption caption caption caption