Czy można stworzyć trójwymiarową mapę całego Wszechświata? Naukowcy podjęli wyzwanie
Międzynarodowa grupa badawcza zdecydowała się zmierzyć z najtrudniejszym problemem astrofizyki: zmapowaniem całego Wszechświata. Dzięki nowatorskiemu emulatorowi Effort.jl możliwe jest modelowanie kosmicznych struktur bez użycia superkomputerów.
Spis treści
- Struktura Wszechświata
- Jak wielki jest Wszechświat?
- Modele nie nadążają za ilością danych
- Effort.jl – rewolucyjny emulator dla astrofizyki
- Opisać niemożliwe do opisania
- Jak emulator naśladuje model i przewiduje wyniki?
- Wypełnianie „białych plam” na mapie Wszechświata
Średnica widzialnego Wszechświata to około 93 miliardy lat świetnych, a wielkość całego jest w tej chwili niemożliwa do oszacowania. W jaki sposób badacze zamierzają zmapować coś, czego nawet nie widać?
Struktura Wszechświata
Patrząc na Wszechświat w skali ludzkiej, jego wielkość wydaje się nieskończona. Jeśli uznać, że Wszechświat jest geometrycznie płaski, co sugeruje część naukowców, można nawet powiedzieć, że faktycznie jest nieskończony. Systemy planetarne łączą się w galaktyki, te w gromady, które tworzą supergromady. Te z kolei splatają się we włókna tworząc ogromny, trójwymiarowy „szkielet” naszego Wszechświata.
Jak wielki jest Wszechświat?
Tylko widoczna część Wszechświata ma średnicę około 93 miliardów lat świetlnych. Przy tym rozmiar naszej galaktyki, szacowany na około 105 tysięcy lat świetlnych to niemal nic. A przecież my, ludzie, którzy wyewoluowaliśmy na mało znaczącej planecie mieszczącej się w jednym z ramion Drogi Mlecznej, nie potrafimy nawet dotrzeć do innego niż nasz systemu planetarnego.
Cały Wszechświat jest trudny do wyobrażenia, a jeszcze trudniejszy do precyzyjnego opisania. Mimo to grupy naukowców z włoskiego Narodowego Instytutu Astrofizyki (INAF), Uniwersytetu w Parmie i kanadyjskiego Uniwersytet w Waterloo zdają się mieć na to sposób. Metodą tą ma być emulator Effort.jl.
Modele nie nadążają za ilością danych
Aby zrozumieć skalę Wszechświata i jego architekturę, naukowcy łączą fizykę z danymi z instrumentów astronomicznych. Na tej podstawie budują modele teoretyczne, takie jak EFTofLSS, czyli Efektywna Teoria Pola Struktury Wielkoskalowej. Tego typu oparte na obserwacjach modele opisują „kosmiczną sieć” w sposób statystyczny, szacując jej kluczowe parametry.
To wszystko bazuje na zbiorach danych astronomicznych, których ilość rośnie w ogromnym tempie. Projekty takie, jak obserwatorium ciemnej materii Euclid, Dark Energy Spectroscopic Instrument DESI, czy Obserwatorium Very Rubin generują gigabajty danych o rozmieszczeniu milionów galaktyk.
Effort.jl – rewolucyjny emulator dla astrofizyki
Tradycyjne metody analizy nie radzą sobie z tym ogromem danych. Właśnie dlatego włoscy i kanadyjscy badacze uruchomili emulator Effort.jl. Pozwala on na znacznie efektywniejsze przetwarzanie danych, a tym samym na szybsze testowanie hipotez.
Co więcej Effort.jl wykazuje taką samą dokładność jak imitowany model. W pewnych kwestiach jest nawet bardziej drobiazgowy. Ale co najważniejsze pozwala na prowadzenie szybkich obliczeń na standardowym laptopie, a nie na superkomputerze.
Opisać niemożliwe do opisania
– Wyobraź sobie, że chcesz zbadać zawartość szklanki wody na poziomie jej mikroskopijnych składników, pojedynczych atomów, a nawet mniejszych cząstek subatomowych. Teoretycznie jest to możliwe. Ale gdybyśmy chcieli szczegółowo opisać, co dzieje się, gdy woda się porusza, gwałtowny wzrost liczby wymaganych obliczeń sprawiłby, że stałoby się to praktycznie niemożliwe.
Można jednak zakodować pewne właściwości na poziomie mikroskopowym i zobaczyć ich wpływ na poziomie makroskopowym na ruch cieczy w szklance. Właśnie to robi efektywna teoria pola, czyli model taki jak EFTofLSS, gdzie „woda” to Wszechświat w bardzo dużej skali, a mikroskopijne składniki to procesy fizyczne w małej skali – wyjaśnia Marco Bonici, badacz z Uniwersytetu Waterloo (Belgia) i główny naukowiec projektu Effort.jl.
Jak emulator naśladuje model i przewiduje wyniki?
Emulator naśladuje działanie modelu: jego rdzeniem jest sieć neuronowa, która uczy się kojarzyć parametry wejściowe z już obliczonymi przez model prognozami. Nie „rozumie” on samej fizyki, po prostu doskonale zna odpowiedzi modelu teoretycznego i potrafi przewidzieć wynik po podaniu nowych danych wejściowych.
Wypełnianie „białych plam” na mapie Wszechświata
— Oryginalność Effort.jl polega na tym, że dodatkowo skraca fazę uczenia, wpisując w algorytm posiadaną już przez nas wiedzę o tym, jak zmieniają się przewidywania wraz ze zmianą parametrów. Dzięki temu zamiast zmuszać sieć do „ponownego uczenia się” tych danych, można je wykorzystać od samego początku – dodaje badacz.
W tej chwili Effort.jl jest wciąż we wczesnej fazie działania. Ale wiele wskazuje na to, że już niedługo może stać się narzędziem pozwalającym nam modelować coraz większe obszary Wszechświata.
Kto wie, może w niedługiej przyszłości wypełni gigantyczne puste miejsca w naszej wiedzy o jego strukturze. Trzeba tylko pogodzić się z myślą, że im większy obraz Wszechświata uzyskamy, tym mniejsi się staniemy.
Źródło: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka
Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.[/highlight-box]