Sejak jaman dahulu, para filsuf dan cendekiawan telah berusaha untuk menentukan bagaimana keberadaan dimulai. Dengan kelahiran astronomi modern, tradisi ini terus berlanjut dan memunculkan bidang yang dikenal sebagai kosmologi. Dan dengan bantuan superkomputer, para ilmuwan dapat melakukan simulasi yang menunjukkan bagaimana bintang dan galaksi pertama terbentuk di Semesta kita dan berevolusi selama miliaran tahun.
Sampai baru-baru ini, studi yang paling luas dan lengkap adalah simulasi "Illustrus", yang melihat proses pembentukan galaksi selama 13 miliar tahun terakhir. Mencari untuk memecahkan rekor mereka sendiri, tim yang sama baru-baru ini mulai melakukan simulasi yang dikenal sebagai "Illustris, The Next Generation," atau "IllustrisTNG". Babak pertama dari temuan ini baru-baru ini dirilis, dan beberapa lainnya diperkirakan akan menyusul.
Temuan ini muncul dalam tiga artikel yang baru-baru ini diterbitkan di Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society. Tim Illustris terdiri dari para peneliti dari Institut Heidelberg untuk Studi Teoritis, Institut Max-Planck untuk Astrofisika dan untuk Astronomi, Institut Teknologi Massachusetts, Universitas Harvard, dan Pusat Astrofisika Astrofisika di New York.
Menggunakan superkomputer Hazel Hen di High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) - salah satu dari tiga fasilitas superkomputer Jerman kelas dunia yang terdiri dari Gauss Centre for Supercomputing (GCS) - tim melakukan simulasi yang akan membantu memverifikasi dan memperluas pada pengetahuan eksperimental yang ada tentang tahap paling awal dari Semesta - yaitu apa yang terjadi dari 300.000 tahun setelah Big Bang hingga saat ini.
Untuk membuat simulasi ini, tim menggabungkan persamaan (seperti Teori Relativitas Umum) dan data dari pengamatan modern ke dalam kubus komputasi masif yang mewakili penampang besar Semesta. Untuk beberapa proses, seperti pembentukan bintang dan pertumbuhan lubang hitam, para peneliti terpaksa mengandalkan asumsi berdasarkan pengamatan. Mereka kemudian menggunakan model numerik untuk menggerakkan Semesta yang disimulasikan ini.
Dibandingkan dengan simulasi mereka sebelumnya, IllustrisTNG terdiri dari 3 alam semesta yang berbeda pada tiga resolusi berbeda - yang terbesar yang diukur 1 miliar tahun cahaya (300 megaparsec). Selain itu, tim peneliti memasukkan penghitungan yang lebih tepat untuk medan magnet, sehingga meningkatkan akurasi. Secara total, simulasi menggunakan 24.000 core pada superkomputer Hazel Hen dengan total 35 juta jam inti.
Volker Springel, profesor dan peneliti di Institut Heidelberg untuk Studi Teoritis dan peneliti utama proyek ini, menjelaskan dalam siaran pers Gauss Center:
“Medan magnet menarik karena berbagai alasan. Tekanan magnetik yang diberikan pada gas kosmik kadang-kadang bisa sama dengan tekanan termal (suhu), yang berarti bahwa jika Anda mengabaikan ini, Anda akan kehilangan efek ini dan pada akhirnya membahayakan hasil Anda. "
Perbedaan utama lainnya adalah dimasukkannya fisika lubang hitam yang diperbarui berdasarkan kampanye pengamatan baru-baru ini. Ini termasuk bukti yang menunjukkan korelasi antara lubang hitam supermasif (SMBH) dan evolusi galaksi. Pada intinya, SMBH diketahui mengirimkan sejumlah besar energi dalam bentuk radiasi dan jet partikel, yang dapat memiliki efek menahan pembentukan bintang di galaksi.
Sementara para peneliti tentu menyadari proses ini selama simulasi pertama, mereka tidak memperhitungkan bagaimana itu dapat menangkap pembentukan bintang sepenuhnya. Dengan memasukkan data yang diperbarui pada medan magnet dan fisika lubang hitam dalam simulasi, tim melihat korelasi yang lebih besar antara data dan pengamatan. Karena itu mereka lebih percaya diri dengan hasil dan percaya itu merupakan simulasi paling akurat hingga saat ini.
Tetapi seperti yang dijelaskan oleh Dr. Dylan Nelson - seorang ahli fisika dari Max Planck Institute of Astronomy dan anggota llustricTNG, simulasi di masa depan kemungkinan akan lebih akurat, dengan asumsi kemajuan dalam superkomputer berlanjut:
“Peningkatan memori dan sumber daya pemrosesan dalam sistem generasi mendatang akan memungkinkan kita untuk mensimulasikan volume besar alam semesta dengan resolusi lebih tinggi. Volume besar penting untuk kosmologi, memahami struktur skala besar alam semesta, dan membuat prediksi yang kuat untuk generasi berikutnya dari proyek pengamatan besar. Resolusi tinggi penting untuk meningkatkan model fisik kami dari proses yang terjadi di dalam galaksi individu dalam simulasi kami. "
Simulasi terbaru ini juga dimungkinkan berkat dukungan luas yang diberikan oleh staf GCS, yang membantu tim peneliti dalam hal-hal yang berkaitan dengan pengkodean mereka. Itu juga merupakan hasil dari upaya kolaborasi besar-besaran yang menyatukan para peneliti dari seluruh dunia dan memasangkan mereka dengan sumber daya yang mereka butuhkan. Terakhir, namun tidak kalah pentingnya, ini menunjukkan bagaimana peningkatan kolaborasi antara penelitian terapan dan penelitian teoritis menghasilkan hasil yang lebih baik.
Ke depan, tim berharap bahwa hasil simulasi terbaru ini terbukti lebih bermanfaat daripada yang terakhir. Rilis data Illustris asli diperoleh lebih dari 2.000 pengguna terdaftar dan menghasilkan publikasi 130 studi ilmiah. Mengingat ini lebih akurat dan mutakhir, tim berharap akan menemukan lebih banyak pengguna dan menghasilkan lebih banyak penelitian inovatif.
Siapa tahu? Mungkin suatu hari nanti, kita dapat membuat simulasi yang menangkap pembentukan dan evolusi Alam Semesta kita dengan akurasi lengkap. Sementara itu, pastikan untuk menikmati video Simulasi Illustris pertama ini, milik anggota tim dan fisikawan MIT Mark Vogelsberger:
