De supercomputer-simulatie in onderstaande video neemt je mee door dertien miljard jaar van de geschiedenis van ons universum. In de video is het agressieve en dynamische proces te zien dat ons universum heeft gemaakt tot dat wat het vandaag de dag is.
Zoals je je wellicht kun voorstellen, is het best een uitdaging om het gehele universum na te bouwen met behulp van een computer, voornamelijk door de enorme schaal waarop alle processen hebben plaats gevonden. Astronomen hebben voor een realistische weergave een gedeelte van het universum met een spanwijdte van 330 miljoen lichtjaar gevisualiseerd; groot genoeg om alle belangrijke elementen te bevatten maar niet zo groot dat de supercomputer het niet aankan.
De beweging van sterren en gas (de kleinste kosmische elementen) vindt echter plaats op een schaal van drie lichtjaar breed, dat is een verschil van acht ordes van grootte. Deze mate van detail is bijna vergelijkbaar met het creëren van een simulatie van een persoon die opgroeit met daarin een visualisatie van elke DNA-streng en enzym.
Om het wat makkelijker te maken zijn de meeste simulaties daarom gefocust op donkere materie en energie – dat 96 procent van het universum beslaat – en wordt de normale materie grotendeels weggelaten. Dat levert een afbeelding van het kosmische web op maar mist belangrijke details.
Inmiddels is de mogelijke rekenkracht zodanig toegenomen dat een team van MIT in staat was om een simulatie te maken, genaamd Illustris, dat alle elementen binnen een spanwijdte van 33 miljoen lichtjaar kan visualiseren, inclusief sterren, sterrenstelsels en zwarte gaten. Dit nieuwe model kan de evolutie van donkere materie, energie, gas en stof simuleren vanaf ongeveer twaalf miljoen jaar na de oerknal. Resultaten van de simulatie werden vorige week in een artikel in Nature gepresenteerd.
In de vroege staat van dit kosmische model domineert de donkere materie, deze wordt vervolgens door de zwaartekracht aan zichzelf bevestigd en smelt samen tot een gigantische web-structuur, zoals te zien is aan de blauwe stroken in de video. De gewone materie wordt aangetrokken door grote concentraties donkere materie en klontert samen tot sterrenstelsels.
Drie miljard jaar na de oerknal is er relatief warm gas en stof waar te nemen in de simulatie. Rond deze tijd vormen er superzware zwarte gaten in het centrum van de sterrenstelsels. Deze zwarte gaten stoten grote bubbels van heet materiaal en straling uit terwijl ze tegelijkertijd materie opnemen. Bovendien zijn er een aantal supernova-explosies van grote sterren waar te nemen waardoor waterstof zich omzet naar helium en helium wordt omgezet naar zwaardere elementen zoals koolstof en zuurstof.
Ongeveer 8,5 miljard jaar na de oerknal laat de simulatie de uiteindelijke verdeling van deze zware elementen zien (te zien als roze en paarse bubbels). Dit zijn belangrijke componenten voor het vormen van onze planeet en het leven op aarde. “If this all sounds somewhat complicated, do not be fooled: It is extremely complicated,” schrijft kosmoloog Michael Boylan-Kolchin, die niet betrokken was bij dit werk maar wel een artikel schreef over het onderzoek in Nature.
Om de simulatie zo waarheidsgetrouw mogelijk te maken moest Illustris de eigenschappen van allerlei verschillende elementen visualiseren: zoals het leven en dood van sterren, de dynamieken van de verwaming, uitbreiding en afkoeling van gas en stof, de creatie van nieuwe elementen door samensmelting, en de groei van nieuwe materie rondom superzware zwarte gaten.
De details van bijna al deze processen zijn maar tot op zekere hoogte bekend waardoor het opmerkelijk is dat de simulatie tot een model van het universum uitkristalliseert dat ontzettend veel op ons eigen universum lijkt. Deze video levert kortom een interessant kijkje op het ontstaan van ons universum; zeker het kijken waard.