Distribuované výpočty v astronomii - 3. díl - Cosmology@home

Moderní dějiny astronomie začal psát novověk. Mnoho teorií a poznání v této éře bylo ovlivněno díly antických filozofů, a právě z nich mnoho učenců čerpalo své teorie. V tomto plodném období však došlo nejen k rozmachu technik pozorování a vzniku nových teorií, ale bohužel i k rozkvětu cenzury. Vzpomeňme jednoho z velikánů, Giordana Bruna, který se v roce 1600 do dějin nedobrovolně zapsal jako "zapálený vědec" během svého upálení na hranici. Jeho kolega, Galileo Galilei, poučen jeho smutným koncem, raději své teorie roku 1633 odvolal. Ovšem do historie výzkumu vesmíru se zapsali oba.

Přejdeme-li nyní do současnosti, ocitáme se v době "moderní exaktní astronomie". Dnes jsou pro nás naprosto samozřejmé výsledky historických objevů. Již nezkoumáme platnost ve své době sebevražedného tvrzení "A přece se točí". Mimochodem, kdyby Galileo tuto jemu přisuzovanou větu pronesl tehdy před koncilem, zřejmě by také skončil jako prostředek globálního oteplení. My dnes zkoumáme nejen jevy, které se dějí v současnosti, ale také jevy, které stály na počátku samotného vesmíru - abychom se dostali na samou hranici existence - do doby Velkého třesku.

Big Bang

Vesmír se po počáteční inflaci (velice rychlém rozpínání) a následném mírném zpomalování rozpínání začíná opět zvětšovat neustále se zvyšující rychlostí, způsobenou přítomností temné energie.

Podle současných fyzikálních modelů se vesmír v době svého vzniku před asi 13,7 miliardami let nacházel ve stavu tzv. počáteční singularity. Tato fáze předpokládá, že zatímco teplota a tlak byly nekonečné, čas a prostorové rozměry byly bezpředmětné. Protože však není k dispozici žádný tomuto stavu podobný systém ani teorie kvantové gravitace, jsme stále na počátku zkoumání tohoto stavu. Na druhou stranu poznat pravdu o vzniku vesmíru by bylo největším a také možná nejdramatičtějším objevem lidstva. Proč? V případě potvrzení fyzikální teorie bychom se zřejmě dočkali krize náboženství, naopak zjištění o impulsu Vyšší moci by možná přeplnilo svatostánky. Tuhle otázku zde ale rozvíjet raději nebudeme.

Moderní pojetí zkoumání vesmíru

Současná astronomie dnes disponuje obrovským technickým potenciálem, který umožňuje získávání faktických údajů nejen z pozemních observatoří, ale i ze sond jež byly člověkem vypuštěny do vesmíru. Spektrum a množství těchto dat je natolik obsáhlé, že téměř každá dnes zkoumaná teorie z nich čerpá svůj díl. My se však blíže zaměříme na jeden z těchto modelů – na výzkum mikrovlnného pozadí vesmíru.

Abychom však lépe pochopili princip, vraťme se o čtvrt století zpět .....

V osmdesátých letech minulého století převládal obecný pohled na teorii Velkého třesku, který vycházel z těchto předpokladů:
Vesmír se od doby svého zrodu stále rozpíná, ale protože počáteční energie Velkého třesku se rozpínáním rozřeďuje, proces se zpomaluje. Z pohledu fyziky jasná teorie. Až se síla expanze vyčerpá (v případě dostatečné hustoty hmoty ve vesmíru se proces expanze zastaví), dojde k opačnému jevu - vesmír se začne smršťovat, přičemž jeho zmenšující se objem bude přinášet zvyšování jeho hustoty. Jeho hmotnost bude vytvářet stále silnější gravitační pole, až se nakonec zhroutí do stavu stejného jako před Velkým třeskem. Zhruba v horizontu desítek miliard let. Tudíž klid, další letní prázdniny ještě stihneme. Jenomže mnohá pozorování potvrzují teorii jinou. Totiž předpoklad, že vesmír se původním modelem nějak nechce nechat ovlivnit a dělá přesný opak - zrychluje! Ale proč?

Abychom nalezli odpověď na tuto otázku, musíme bádat. Bohužel, musíme bádat teoreticky, neboť se nám nepodařilo najít pamětníky Velkého třesku. Musíme vytvářet fyzikální modely, což není tak jednoduché.

Abychom takový model vytvořili, musíme vzít v potaz spoustu vstupních údajů. My použijeme soubor konstant, tedy jednoznačně definovaných neměnných hodnot a budeme předpokládat, že konstanta je konstantou a prostě se nám měnit nebude.

Ovšem najdou se i vědci tvrdící, že tomu tak zdaleka není. Že konstanty se mění; sice minimálně, ale mění. A to je docela problém. Představte si na chvíli třeba hru se stavebnicí LEGO (to je ta, jak máma nadávala, když šlápla na zatoulanou kostku). Změříte délku jednoho dílku z té hromady stejných co máte a chcete si spočítat kolik těch kostiček potřebujete poskládat, abyste dostali třeba 1 metr dlouhou řadu. Spočítáte, postavíte, klaplo to. Jenže zkuste si spočítat na milimetr přesně délku řady z jednoho milionu těchto dílků. Máte sice teoretický výpočet, ale pokud (za ideálních podmínek samozřejmě) by byl tento útvar složen, bude mít odchylku v řádu 0,001 %. Protože ten prvotní dílek byl třeba o 0,0001 mm kratší, než jsme dokázali změřit. Nemluvě o vlivu okolního prostředí - například teplotní dilatace materiálu.

Nyní zbývá jen jediné - provést korekci nám známé konstanty. Stejný moderní pohled na chování konstantních hodnot ve vztahu k dynamickým změnám v prostoru a času nám předkládá takzvaná "strunová teorie". Co se vlastně za touto teorií skrývá?

Vezměme si za příklad jednu základní fyzikální konstantu α, konstantu "jemné struktury". Její hodnota nám udává intenzitu elektromagnetické interakce. Teoretická hodnota udává 1/137. V laboratorních experimentech se dosáhlo přesnosti její definice až na 10 desetinných míst. Následné ještě přesnější experimenty, využívající jako zdroje měření tzv. atomové fontány, ukázaly po pěti letech svého trvání změnu hodnoty. Sice o méně než 1 část z 10¹⁵, ale změna o byla. Avšak nejkvalitnější pozorování vycházejí z absorpčních čar kvasarů a jsou schopna sledovat proměnlivost této hodnoty v období posledních 12-ti miliard let! Výsledky jedné vědecké skupiny uvádějí v tomto časovém úseku dosaženou odchylku 0,001 %. Což ve fyzice, na rozdíl od politiky veřejných financí, není rozhodně zanedbatelné číslo. K definitivnímu rozhodnutí, zda tento jev i reálně nastává, nám však zatím schází dostatečná přesnost měření.

Výzkumný tým stojící u zrodu projektu Cosmology@home používá nový princip astronomické sondy, která je teoreticky schopna po překonání určitých technologických úskalí řešit problematiku změny konstanty jemné struktury s přesností devíti desetinných míst až k horizontu 13,7 miliardy let do minulosti, tedy téměř až do doby samotného vzniku Vesmíru. Tato nová metoda je deklarována jako 10.000x přesnější než jakýkoli laboratorní test, přičemž takto stanovená hodnota konstanty je nesmírně důležitá pro zkoumání mikrovlnného pozadí vesmíru.

Mapa teploty reliktního mikrovlnného záření - jsou v ní malé nerovnoměrnosti, které jsou následkem původního "rozbouřeného časoprostorového moře" mladého vesmíru, pozorované sondou WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), které "zamrzly" asi 400 000 let po vzniku vesmíru. Vlny a bubliny v tomto moři se během inflace vesmíru rozvinuly do obrovských rozměrů a staly se základem pro pozdější vznik shluků hmoty, jako jsou galaxie a kupy galaxií. Velkorozměrová struktura vesmíru je tudíž pouze nesmírně zvětšeným obrazem kvantového světa - nádherná přímá souvislost mezi největšími a nejmenšími mírami vesmíru.

Svědci vesmírné minulosti

Obrovská spousta pro náš projekt použitelných informací dorazí k Zemi ve formě dlouhých rádiových vln o délce od 6 do 42 metrů. Tyto vlny vznikají s vlnovou délkou přibližně 0,5 až 3 cm jako součást CMB (cosmic microwave background – kosmické mikrovlnné pozadí) vyzářeného v momentu, kdy se horká plazma raného vesmíru změnila na neutrální vodíkové atomy. S postupnou expanzí vesmíru se tyto vlny prodlužují dle principu nám známého pod pojmem "rudý posuv". Po přibližně sedmi milionech let se vlny s původně nejdelší vlnovou délkou roztáhly na hranici 21 cm, kde se svým kmitočtem dostávají do rezonance s atomy vodíku a jsou-li těmito atomy pohlceny, ztrácejí se z CMB a jsou viditelné jako absorpční čáry. Tato absorbce vln atomy vodíku byla ukončena v období, kdy světlo prvních hvězd vesmíru svým dopadem ohřálo částice vodíku a další absorpci znemožnilo. A právě míra absorpce těchto vln je vysoce citlivá na výše zmiňovanou hodnotu konstanty α, . Proto je spektrum absorpčních čar přítomných v rádiových vlnách přesným záznamem o případném vývoji této konstantní hodnoty. Dokážeme-li co nejpřesněji sledovat tento jev, budeme v budoucnu schopni dosáhnout co nejvyšší přesnosti ve srovnání základních fyzikálních modelů a astronomických pozorování. Ale jak to porovnat? I na to již existuje způsob.

PICO - Parametry pro nedočkavé kosmology

Jeden z cílů moderní kosmologie, o nichž tu již byla řeč, je omezit teoretické modely, které se snaží popsat vývoj a obsah vesmíru. To se děje porovnáváním detailních pozorování vesmíru s předpověďmi těchto modelů. Teoretický model by měl předpovědět charakteristiku změn v kosmickém mikrovlnném pozadí (CMB). Když to porovnáme s CMB pozorovaným satelity a pozemními experimenty, můžeme určit, jak dobře tento model popisuje náš vesmír, a srovnat ho s jinými modely. Toto je však výpočetně velmi náročný úkol. Současné techniky by vyžadovaly měsíce počítání i na těch nejvýkonnějších superpočítačích.

Proto Chad Fendt a Ben Wandelt (oba ze státní univerzity v Illinois) v rámci projektu Cosmology vytvořili program zvaný PICO, příznačně nazvaný Parameters for the Impatient Cosmologist. Součástí programu je samoučící schopnost při srovnávání teoretických údajů s daty dodanými z pozorování. Díky tomu se výpočty zjednodušily natolik, že v rámci platformy Boinc jsou jednotlivé úlohy schopny analýzy i v prostředí běžných počítačů.

V současné době tým pracující na projektu zdokonaluje funkce programu, přičemž objevuje jeho další možnosti. Výpočty, na nichž se mnozí z nás podílejí, slouží k tréninku programu PICO, a přibližují nás oné magické hranici poznání.

Hardwarové nároky projektu Cosmology@home

Z pohledu uživatele Boinc patří tento projekt do skupiny výpočtů s vyššími nároky na kapacitu a propustnost paměti. Datové balíčky nejsou příliš náročné vůči samotnému CPU a průměrná doba jejich zpracování je v řádu několika hodin podle sestavy počítače. Tento projekt lze s klidným svědomím doporučit i majitelům průměrných PC, pokud jejich operační paměť disponuje alespoň 512 MB na jedno CPU a nějakým tím swapem na disku. V současné době je distribuována nová série jednotek, projekt lze považovat za stabilní bez významnějších výpadků. Projekt přiděluje fixní kredit.

Závěr

Tento projekt lze doporučit počtářům Boinc počtářům pro jeho nesporný vědecký přínos. Jsou to právě naše počítače, které se mohou podílet na odhalení mnoha tajemství vzniku vesmíru díky jedinečné metodě výzkumu, jejíž myšlenka umožní překonat hranice miliardy let trvající propasti času. A my sami můžeme být součástí procesu tohoto úžasného pozorování.

Zdroje:
[1] Oficiální stránky projekt Cosmology at home
[2] Wikipedia

Překlad: Tomáš Pazderka (Zelvuska), Radim Vančo (Kyong), Dušan Vykouřil (forest) - Czech National Team
Autoři: Merlin - Space Family
          Dušan Vykouřil (forest) - Czech National Team
Korektura: Jaroslav Mikšovský (JardaM) - Czech National Team
          Juraj Kotulič Bunta (Duro) - tým boinc.sk
Grafické zpracování: Dušan Vykouřil (forest) - Czech National Team