Sebuah simulasi komputer baru bernama Lumina memberi ilmuwan pandangan rinci tentang bagaimana alam semesta awal mungkin berkembang keluar dari “zaman gelap” kosmik menuju galaksi pertama, bintang, dan gas yang terionisasi ulang. Karya ini terbit di Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dan menggabungkan pembentukan galaksi serta transport radiasi dalam satu model yang menelusuri evolusi kosmik selama 2 miliar tahun.
Fakta utama
- Lumina dimulai sekitar 45 juta tahun setelah Big Bang, pada masa zaman gelap alam semesta.
- Simulasi ini mencakup 500 megaparsec, atau sekitar 1,6 miliar tahun cahaya.
- Lumina melacak materi gelap, gas, bintang, dan radiasi selama 2 miliar tahun waktu kosmik.
- Proyek ini berbasis pada simulasi IllustrisTNG dan dijalankan di superkomputer Frontier di Oak Ridge National Laboratory.
- Tim mengatakan Lumina menangkap re-ionisasi hidrogen dan re-ionisasi helium untuk pertama kalinya dalam satu simulasi.
Apa arti Lumina bagi peneliti yang mempelajari alam semesta awal?
Bagi astronom dan kosmolog, Lumina menawarkan cara baru untuk membandingkan teori dengan pengamatan dari teleskop yang sudah ada maupun yang akan datang. Tim menyebut simulasi ini menghasilkan populasi galaksi besar yang bisa dicocokkan dengan data survei masa depan, sehingga membantu mempersempit pemahaman tentang bagaimana galaksi dan lubang hitam pertama terbentuk.
Simulasi ini juga penting karena menghubungkan proses skala kecil, seperti pembentukan bintang di dalam galaksi, dengan re-ionisasi kosmik skala besar. Itu memberi peneliti alat untuk mempelajari bagaimana cahaya ultraviolet dari galaksi awal dan cahaya berenergi tinggi dari lubang hitam supermasif mengubah keadaan hidrogen dan helium di seluruh alam semesta.
- Siapa yang terdampak: peneliti yang mempelajari galaksi awal, re-ionisasi kosmik, dan struktur skala besar.
- Apa yang disediakan: keluaran beresolusi tinggi di volume yang jauh lebih besar daripada simulasi terbaik sebelumnya, menurut tim.
- Apa langkah berikutnya: para peneliti berencana memakai Lumina untuk memetakan struktur skala besar awal alam semesta dan memprediksi pola gelombang gravitasi.
Apa yang disimulasikan Lumina?
Lumina melacak materi gelap, gas, bintang, dan radiasi di seluruh wilayah alam semesta awal yang lebarnya 500 megaparsec. Simulasi ini dimulai pada zaman gelap, ketika hidrogen netral mendominasi, lalu mengikuti alam semesta melalui perubahan besar ketika hidrogen dan helium menjadi terionisasi ulang.
Menurut para peneliti, re-ionisasi hidrogen didorong oleh cahaya dari galaksi dan bintang awal, sedangkan re-ionisasi helium didorong oleh radiasi yang jauh lebih energik dari lubang hitam supermasif awal yang berada dalam fase aktif dan menyerap materi. Tim menyebut ini sebagai simulasi pertama yang menangkap kedua proses tersebut sekaligus.
Mengapa simulasi ini penting?
Para peneliti mengatakan Lumina menjembatani kesenjangan besar antara skala yang sangat kecil dan sangat besar. Simulasi ini memodelkan setengah triliun elemen individu, termasuk partikel materi gelap dan sel gas, dengan resolusi sekitar 30 kali lebih tinggi daripada IllustrisTNG sambil mencakup volume sekitar 100 kali lebih besar daripada simulasi sebelumnya.
Kombinasi itu memungkinkan pembentukan halo materi gelap, runtuhnya gas menjadi galaksi, dan penyebaran radiasi dari bintang-bintang pertama untuk diikuti secara bersamaan. Tim mengatakan simulasi ini dirancang untuk membantu menafsirkan cuplikan data dari teleskop baru dan yang akan datang.
Bagaimana Lumina dijalankan?
Perhitungannya membutuhkan sumber daya superkomputasi besar. Tim menjalankan Lumina di Frontier, superkomputer di Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, dan menyebut perhitungan itu melibatkan ekuivalen lebih dari 100.000 inti CPU dan sekitar 15.000 GPU pada skala puncak.
Proyek ini dibangun di atas IllustrisTNG, yang sebelumnya dikembangkan oleh ilmuwan di MIT dan tempat lain. Untuk Lumina, tim menyempurnakan kode itu agar bisa memodelkan pembentukan galaksi dengan detail lebih tinggi di volume kosmik yang jauh lebih besar dan menggabungkannya dengan fisika transport radiasi.
Apa yang terjadi selanjutnya?
Tim berencana menggunakan Lumina untuk memetakan struktur skala besar alam semesta awal dan meneliti pola gelombang gravitasi yang mungkin dihasilkan galaksi dan lubang hitam awal. Mereka juga mengatakan simulasi ini dapat dibandingkan dengan data dari survei teleskop yang akan datang saat pengamatan itu tersedia.
Dalam pengertian itu, Lumina bukan sekadar rekonstruksi visual alam semesta awal. Ia juga menjadi tempat uji untuk mengecek apakah fisika yang dimasukkan ke dalam model masa kini bisa mereproduksi struktur yang diperkirakan astronom akan temukan di data nyata.
