Redakcja: Jak stworzył Pan „wszechświat”?

Prof. Krzysztof Belczyński: Rzeczywiście stworzyłem tzw. sztuczny wszechświat, czyli zdecydowanie uproszczony w stosunku do tego prawdziwego, komputerowy model wszechświata. Opisuje on pewne zagadnienia, a dokładniej zajmuje się jedną z rzeczy, którą możemy ujrzeć we wszechświecie, czyli gwiazdami. Kiedy gwiazdy umierają, tworzą tak zwane obiekty zwarte. Najmniejsze gwiazdy, takie jak słońce tworzą białe karły, masywniejsze gwiazdy tworzą gwiazdy neutronowe, a najmasywniejsze gwiazdy, swoiste gwiazdy olbrzymy, ważące dwadzieścia, pięćdziesiąt czy nawet sto mas słońca, tworzą czarne dziury.

Sztuczny model wszechświata został stworzony, żeby przewidywać Ile takich obiektów zwartych istnieje w obecnym wszechświecie. Model ten jest po prostu dużym programem komputerowym, składającym się z dwudziestu tysięcy linii kodu napisanego w C. Kod zacząłem pisać jeszcze kilkanaście lat temu podczas doktoratu. Po tym jak w latach 1999-2000 powstała jego pierwsza wersja kod zaczął przynosić dość nieoczekiwane i zaskakujące wyniki, dzięki czemu od tego czasu jest stale rozwijany. Rozwijam go ja z moim byłym promotorem, moimi obecnymi studentami i doktorantami oraz „post-docami”.

Sam program działa poprzez wypełnianie gwiazdami poszczególnych części wszechświata, a następnie ewoluowanie ich do przodu w czasie. Wtedy możemy zobaczyć jak obiekty zwarte powstają i gdzie we wszechświecie się znajdują. Daje to nam pewną statystykę na temat stanu zapełnienia wszechświata gwiazdami i obiektami zwartymi, czyli czarnymi dziurami czy gwiazdami neutronowymi.  

Jak sztuczny wszechświat pomaga przewidzieć przyszłość?

Obliczeń, dokonywanych modelem sztucznego wszechświata używamy, żeby przewidywać przyszłe obserwacje i wydarzenia. Chodzi o sytuacje, w których wiemy albo wydaje nam się, że pewne rzeczy, takie jak np. powstawanie czy zderzenia czarnych dziur we wszeświecie zachodzą, choć do tej pory ich nie widzieliśmy. Ostatnio zaobserwowaliśmy zderzenia czarnych dziur, których szukano przez dwadzieścia-trzydzieści lat.

Startując z obliczeniami od początku wszechświata pozwalamy na ewolucję wszystkich znajdujących się w nim gwiazd i obserwujemy, które z nich tworzą czarne dziury. Patrzymy jak czarne dziury się tworzą, w jakich zgrupowaniach, czy są pojedyncze, podwójne czy wielokrotne. Automatycznie w modelu wychodzi nam, które i w jaki sposób powinny się zderzać oraz jak często. Pozwala to otrzymać jasne i definitywne przewidywania, Ile zderzeń takich dziur powinno zachodzić we współczesnym wszechświecie. Te przewidywania oczywiście publikujemy pokazując, że potrzebny jest taki albo inny instrument, o takiej albo innej czułości, aby te czarne dziury zobaczyć.

Tego rodzaju przewidywania prowadziliśmy około 5 lat temu. W 2010 r. przewidzieliśmy, że detektory fal grawitacyjnych, które wtedy już obserwowały wszechświat i szukały zderzeń czarnych dziur oraz gwiazd neutronowych powinny zaobserwować zderzenia czarnych dziur za kilka lat. To dokonało się dokładnie w zeszłym roku, we wrześniu 2015, potwierdzając teorię Einsteina i samo istnienie fal grawitacyjnych.

Na czym polega synteza populacji gwiazdowych?

Model wszechświata, który my z angielskiego nazywamy „toy model” albo modelem zabawkowym, choć ma dość skomplikowaną i złożoną fizykę, w samym procesowaniu ewolucji gwiazdowej oparty jest na całkiem prostej zasadzie. Ewoluujemy duże populacje gwiazdowe, czyli miliony gwiazd, ale nie jesteśmy w stanie wyewoluować całego wszechświata. Wszechświat składa się z około dziesięciu do potęgi dwudziestej drugiej gwiazd, co stanowi liczbę nieobrabialną w ramach naszych obecnych możliwości obliczeniowych.

Nawet gdybyśmy używali wszystkich najszybszych komputerów na świecie nie bylibyśmy w stanie przerobić wszystkich gwiazd wszechświata. W związku z tym sięgamy po dość rozproszone grupy gwiazd, ale takie które są reprezentatywne, które dały nam dobrą reprezentację i próbkę całego wszechświata, po czym ewoluujemy tylko te gwiazdy, a następnie nasze wyniki ekstrapolujemy, rozszerzamy już na cały wszechświat.

Jest to statystyczna metoda, która pozwala nam statystycznie opisać co we wszechświecie powinno się dziać. Wydaje się ona idealna do przewidywania częstości zachodzenia pewnych zdarzeń, takich jak zderzenia czarnych dziur, wybuchy supernowych czy powstawanie białych karłów. Taką metodę nazywamy metodą syntezy populacji jako, że syntezujemy sztuczne populacje gwiazd i obiektów zwartych w naszym modelu komputerowym, które później porównujemy z obserwacjami. Jeżeli takie obserwacje pokazują, że nasz model jest zły, to możemy do modelu wrócić i poprawić go, ucząc się przy tym pewnej fizyki i tego, jak te gwiazdy ewoluują. Jeżeli nasz model przewiduje poprawnie pewne wydarzenia, to wiemy, że mamy tę fizykę w nim dobrze skalibrowaną.

Oglądaj całość