Kosmologi
Ikon Simulering

Tidenes største simulering løser gåte ved universets barndom

2005-06-11
En gruppe kosmologer har ved hjelp av kraftige superdatamaskiner simulert utviklingen av universet fra det var noen få hundre tusen år gammel til i dag, 13 milliarder år senere.
Kosmologi er læren om universets opprinnelse og utvikling. Nye gjennombrudd skjer hele tiden, det er ikke mer enn 8 år siden forskerne fant ut at vanlig materie kun utgjør rundt 5% av hele universet. Resten av universet består av mørk materie (~20%) og mørk energi (75%). Oppdagelsen kom som et sjokk, og man måtte gå tilbake til Einsteins opprinnelige ligninger og teorier for å finne løsningen.

Universet ble med ett litt mer komplisert, og evolusjonsteorien om universet måtte skrives om. De 40 kosmologene bak simuleringen, "The Virgo Consortium", har brukt 1 måned på å utføre beregningene på superdatamaskinen i Garching, Tyskland. Informasjonsmengden utgjør 25 terabyte, eller nesten 36 tusen CD plater, men heldigvis for oss er det lagd videosnutter av overkommelig størrelse for oss med normale datamaskiner.

Simuleringen består av 10 milliarder partikler fordelt på en 2 milliarder lysår stor kube, altså 8 milliarder kubikklysår (om ikke annet enn morsom måleenhet), og viser utviklingen av universet fra det var rundt 400.000 år gammelt og frem til i dag. De 10 milliarder partiklene samlet seg etterhvert til 20 millioner galakser, og denne prosessen var et av de sentrale spørsmålene simuleringen skulle gi svar på.
Oversiktsbilde av simuleringenNye observasjoner fra SDSS (Sloan Digital Sky Survey) har vist universet var fullt av kvasarer selv i tidlig alder. Kvasarer er urgamle galakser som huser supermassive sorte hull på flere milliarder solmasser. De sorte hullene suger inn store mengder gasspartikler som lyser opp mens de faller mot hullet. På grunn av størrelsen på de sorte hullene er kvasarer synlig på enorme avstander, helt tilbake til da universet bare var noen millioner år gammelt.

Dette passer derimot ikke inn i modellene om universets utvikling. Vi har antatt og trodd at strukturene i universet (galakser, galakserhoper osv.) ble bygget opp "bottom-up". I utgangspunktet var materien i universet nesten helt jevnt fordelt, men med tiden har stjerner klumpet seg sammen og vokst og vokst og vokst til de enorme galaksene og galaksehopene vi ser i dag. Det var derfor litt overraskende å finne fullt utviklede galakser mens universet enda var i "barndommen".

Den kosmiske bakgrunnstrålingen er et fordums ekko som beskriver utgangspunktet for galaksene vi ser i dag. Helt i begynnelsen var universet ekstremt varmt, for varmt til at atomer kunne eksistere. Du kan si at de fordampet. Etter ca. 400.000 år, når temperaturen ble "levelig" slik at atomkjernene kunne fange opp frie elektroner, kunne fotonene bevege seg fritt gjennom universet. Det er dette lyset som er den kosmiske bakgrunnstrålingen. Bakgrunnstrålingen har en viktig attributt, den er en "kopi" av materiedistribusjonen når universet var 400.000 år gammelt! Atomene var nemlig ikke spredd jevnt i universet, det var tetthetsforskjeller på rundt 1 del av 10.000. Disse tetthetsforskjellene er det vi ser i de berømte bildene fra COBE og WMAP satellittene. Det er disse variasjonene som etterhvert "koagulerte" til stjerner, som igjen samlet seg i galakser, som igjen samlet seg i galaksehoper.

Simuleringen har vist at utviklingen har gått raskere enn tidligere antatt. De første kvasarene ble til allerede etter noen millioner år, i overenstemmelse med observasjonene. Kosmologer verden over kan nå trekke et lettelsens sukk, eller et skuffelsens stønn. Det hadde jo unektelig vært spennende hvis alt vi har trodd om universet har vist seg å være feil. Det mangler ikke på alternative teorier.

10 milliarder partikler høres imponerende ut, men det er dessverre en stor forenkling av virkeligheten. Hvis du målte opp 10 milliarder partikler i det interstellare medium ville du fått en kule på et par kilometer i diameter. Det synlige univers har en diameter på mange milliader kilometer. Forskjellen er med andre ord over en milliard milliard milliard(1027) i kompleksitet. Superdatamaskinen i garching er rundt tusen ganger kraftigere enn en vanlig kontorpc og brukte en måned på utregningene.