Universet er genskabt i en computer

Et grundigt kig ud i universet afslører en mangfoldighed af galakser. Nogle er fladtrykte og har spiral­arme, andre er elliptiske, og nogle lader sig ikke kategorisere så nemt, fordi de har irregulære former.

Der findes kæmpegalakser med billioner af stjerner og dværg­galakser med få milliarder. I nogle galakser er der stadig fuldt knald på stjernedannelsen, andre er faldet til ro og gør ikke meget væsen af sig.

Alle disse meget forskellige galakser er dukket op i løbet af de 13,8 milliarder år, der er gået siden big bang. Præcis hvordan det er gået for sig, kan man nu se i den mest realistiske simulering af universets udvikling, der hidtil er lavet. En imponerende computersimulering, der viser forskerne, at deres bedste kosmologiske teorier i hvert fald ikke er helt skæve.

Forskerne bag projektet, der går under navnet Illustris, har ladet et virtuelt univers udvikle sig igennem 13 milliarder år. Simuleringen starter 12 millioner år efter big bang, hvor mørket hersker over universet. Ikke en eneste stjerne er tændt, men det mørke stof har samlet sig i filamenter, som brint og helium bliver gravitationelt tiltrukket af. Hvor koncentrationen af gas bliver størst, opstår stjerner og galakser.

Nu kan man med sine egne øjne se, hvordan flade spiralgalakser som Mælkevejen dannes. Man kan følge klynger af tunge stjerner eksplodere som supernovaer og sende nye grundstoffer ud i intetheden. Galakser kolliderer og smelter sammen, og supermassive sorte huller i midten af galakserne vokser sig store og trækker stof til sig, samtidig med at de forvandles til veritable kraftcentre med enorm indflydelse på omgivelserne.

Måske findes du ikke rigtigt. Måske er du bare bits og bytes i en enorm computersimulering, der er sat i gang af en uhyre avanceret civilisation. En simulering så uhyre detaljeret, at alt det, vi opfatter som hørende til vores univers, er med i den – fra det mindste til det største.

Det er en tanke, som den svenske filosof Nick Bostrom har leget med, og han er kommet frem til, at det er ganske sandsynligt, at vi alle blot er del af en simulering. Det har så fået tre fysikere til at regne på, om vi kan finde ud af, at vi er en del af en computer­simulering, som jo trods alt må være af endelig størrelse.

Resultatet blev, at det i princippet – omend måske ikke i praksis – altid vil være muligt at afgøre, om vi kun eksisterer i en computer.

Læs mere på simulation-argument.com

2.000 års beregninger

Det har taget forskerne fem år at udvikle den uhyre omfattende simulering, og det havde ikke været muligt at køre den, hvis de ikke havde haft kraftige supercomputere til rådighed.

Hele simuleringen krævede 16 millioner CPU-timer, og hvis forskerne havde kørt den på en almindelig, gennemsnitlig pc, ville det have taget mere end 2.000 år at foretage alle beregningerne. Heldigvis havde de adgang til supercomputere, ikke mindst SuperMUC i Tyskland og Curie i Frankrig – henholdsvis nummer 10 og 20 på listen over verdens hurtigste supercomputere. 8.192 processorkerner, 25 terabyte arbejdshukommelse og mere end 200 terabyte lagerplads på harddiske blev taget i brug i de tre måneder, det tog at genskabe universet.

Problemet med at simulere universet er, at det er så frygtelig stort, og at det rummer så meget i forskellige størrelsesskalaer – lige fra de mindste elementarpartikler til ekstremt store strukturer kaldet supergalaksehobe. Det er umuligt at få det hele med i en model, så man må træffe nogle hårde valg.

På den ene side kræver en realis­tisk simulering, at man lader tingene udvikle sig i et tilstrækkeligt stort virtuelt volumen, hvor der er plads til tusindvis af galakser. På den anden side skal modellen være så detaljeret som muligt, så man kan zoome ind på individuelle galakser og følge deres udvikling gennem tiden – med stjernedannelse, supernovaer og sorte huller.

Illustris ligner virkeligheden

I Illustris-simuleringen er universet en terning, der er 347 millioner lysår på hver led. Til at starte med rummer den kun mørkt stof, brint og helium, men efter 13 milliarder år er det blevet til 41.416 galakser.

Det er selvfølgelig ikke voldsomt mange i forhold til de langt over 100 milliarder galakser, der findes i den del af universet, vi kan observere, men pointen er, at galakserne i Illustris-universet har fået vidt forskellige størrelser og former, præcis som i det virkelige univers. Antallet af elliptiske galakser i forhold til antallet af spiralgalakser svarer til det, man kan observere, og indholdet af galakserne såvel som afstanden imellem dem er også passende. Det er første gang, en simulering er kommet så tæt på virkeligheden.

Illustris tager udgangspunkt i den mest udbredte model for big bang-kosmologi, nemlig Lambda-CDM-modellen. Ifølge den domineres universet af mørk energi og koldt, mørkt stof, og universets udvikling kan beskrives ved hjælp af kun seks parametre. Illustris viser, at fysikernes teori holder vand, for ud fra Lambda-CDM-modellen og de fysiske love er det rent faktisk muligt at fremtrylle et univers, der ligner vores. Ikke blot er bestanden af galakser genskabt, simuleringen rammer også, hvor meget gas universet indeholder, hvor det gemmer sig, og hvad gassen består af – i hvilket omfang den rummer grundstoffer, der er tungere end brint og helium.

Plads til forbedringer

En model af universet kan naturligvis altid forbedres, for eksempel ved at gøre detaljeringsgraden endnu større. I Illustris-simuleringen består det virtuelle univers af 12 milliarder elementer, og det er langtfra nok til, at enkelte stjerner kan ses. Der er altså grænser for, hvor langt man kan zoome ind, og hvor små strukturer, man kan få øje på.

Forskerne har da også identificeret adskillige tilfælde, hvor modellen ikke passer helt med virkeligheden. For eksempel er stjernerne i forholdsvis små galakser for gamle, for i simuleringen begynder stjernedannelsen alt for tidligt i disse systemer. Så der skal arbejdes videre på modellen, men først vil holdet bag Illustris stille alle data til rådighed for andre forskere, som kan stille virtuelle teleskoper ind på netop det astronomiske område, der interesserer dem. De kan så spole frem og tilbage i tiden og for eksempel nøjes med at se densiteten af det mørke stof, temperaturen af gassen i og imellem galakserne eller kemien i gassen. Forhåbentlig kan simuleringen inspirere astrofysikerne til at udvikle endnu bedre teorier, der forklarer universets fænomener på en overbevisende måde.

Se en video af simuleringen her: