Gedurende tweeënzeventig miljoen uur kauwde een supercomputer in een rustige hoek van Noord-Engeland zich door de wetten van de fysica, totdat hij een spook uitspuwde. Het was geen glitch of een willekeurige reeks getallen, maar een reflectie: een synthetisch universum dat zo nauwkeurig is dat de makers beweren dat het niet te onderscheiden is van het universum waarin wij daadwerkelijk leven. Toen de beelden uiteindelijk op de monitoren van Durham University flikkerden, keken de onderzoekers niet naar korrelige benaderingen; ze keken naar sterrenstelsels die exact dezelfde helderheid, kleuren en clusters vertoonden als de sterren die we door de krachtigste telescopen ter wereld zien.
Dit was geen project dat voortkwam uit de wens om voor God te spelen. Het was een wanhopige poging om de huidige versie van de werkelijkheid te redden. De afgelopen jaren verkeerde de wereld van de kosmologie in een staat van stille paniek. Gegevens die terugkwamen van de James Webb Space Telescope (JWST) gedroegen zich vreemd en toonden ons oude sterrenstelsels die veel te groot en veel te helder zijn voor onze huidige theorieën om te verklaren. Sommige natuurkundigen begonnen te fluisteren dat ons "standaardmodel" van het universum onherstelbaar beschadigd was. Het COLIBRE-project — het resultaat van tien jaar internationaal zwoegen — werd opgezet om te achterhalen of de wiskunde nog standhoudt, of dat we het regelboek moeten verscheuren en opnieuw moeten beginnen.
De enorme schaal van het rekenwerk is lastig te bevatten zonder een glas bier en een rekenmachine. Om de grootste versie van deze simulatie te draaien, werkte de COSMA8-supercomputer gedurende het equivalent van 8.219 jaar aan levensduur van een enkele processor. Als je dit op je high-end gaminglaptop zou proberen, zou de machine waarschijnlijk in een plas silicium veranderen voordat hij een miljardste van het werk had voltooid. Deze enorme investering aan digitale energie was nodig omdat het team besloot te stoppen met de kortere wegen die ruimtesimulaties al decennia teisteren.
De muur van tienduizend graden
Om te begrijpen waarom deze simulatie anders is, moet je begrijpen waarom eerdere simulaties in feite tekenfilms waren. De ruimte is groot, maar ook rommelig. Tot nu toe hadden astronomen moeite om "koud" gas te modelleren — alles onder de ongeveer 10.000 graden Fahrenheit. Hoewel dat voor een mens klinkt als een hoogovens, is het in kosmische termen praktisch bevroren. Omdat deze koude gassen en de stofwolken die ze met zich meedragen zich op ongelooflijk complexe, turbulente manieren gedragen, lieten eerdere simulaties ze simpelweg weg. Ze stelden een ondergrens in op 10.000 graden en hoopten dat de ontbrekende gegevens niet al te veel uitmaakten.
Carlos Frenk, natuurkundige aan Durham University en een van de hoofdarchitecten van het project, omschreef het moment van afronding als "opwindend". Het is één ding om een theorie op papier te hebben; het is iets anders om een machine die theorie te zien volgen en een sterrenstelsel te zien bouwen dat er precies zo uitziet als het stelsel dat je ziet wanneer je een telescoop op de hemel richt. Als de simulatie iets anders had opgeleverd — klompen materie die niet samenklonterden of sterren die te snel opbrandden — zou dat de laatste nagel aan de doodskist zijn geweest voor ons begrip van de kosmos.
Waarom de natuurkunde in een midlifecrisis zat
De spanning die dit project aandrijft, komt voort uit een specifieke reeks waarnemingen die de gangen van de NASA achtervolgen. Toen de JWST werd gelanceerd, begon deze dingen te zien die hij niet had mogen zien: enorme sterrenstelsels in het zeer vroege universum. Volgens het standaardmodel zouden deze stelsels niet genoeg tijd hebben gehad om zo groot te worden. Het was alsof je een kinderkamer binnenliep en een pasgeborene aantrof die bijna twee meter lang was en Shakespeare kon voordragen. Het was onlogisch en leidde tot een vloedgolf aan krantenkoppen die suggereerden dat de oerknal nooit had plaatsgevonden of dat de zwaartekracht anders werkt dan we dachten.
De simulatie bood echter niet alleen troost. Het bracht ook een opvallend, robijnrood probleem aan het licht dat natuurkundigen nog steeds proberen te verklaren. Zelfs met 72 miljoen uur aan supercomputerkracht kan het model de "Little Red Dots" nog niet helemaal verklaren. Dit is een klasse van ongelooflijk heldere, compacte objecten die door de JWST werden ontdekt en bestonden toen het universum minder dan een miljard jaar oud was. Ze zien eruit als sterrenstelsels, maar ze zijn veel te dicht en ze lijken te verdwijnen naarmate het universum ouder wordt. Ze zijn het kosmische equivalent van een spookverhaal — het ene moment zijn ze er, het volgende moment zijn ze weg, en ze weigeren zich aan de regels te houden.
De afwegingen van het spelen van een virtuele god
Elke simulatie is een compromis tussen nauwkeurigheid en schaal. Zelfs met de rekenkracht van COSMA8 moesten de onderzoekers keuzes maken. Ze kunnen een enorm volume van het universum modelleren, maar ze kunnen niet elk individueel steentje of asteroïde zien. Ze kijken naar de "macro"-schaal — de manier waarop donkere materie aan gas trekt, de manier waarop zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels materiaal terug de ruimte in blazen en hoe deze krachten gedurende miljarden jaren in evenwicht blijven. Dit is een spel van kosmische boekhouding, en voor het eerst lijken de boeken eindelijk te kloppen.
De echte waarde van COLIBRE zit niet alleen in het bewijzen dat we gelijk hebben; het zit in het bieden van een speeltuin om te testen waar we eventueel ongelijk hebben. Als we willen weten wat er gebeurt als donkere materie "warm" is in plaats van "koud", of als we willen zien hoe een ander type groei van zwarte gaten de vorm van een spiraalstelsel beïnvloedt, hoeven we geen miljarden jaren te wachten op een praktijkexperiment. We veranderen gewoon een regel code en draaien de simulatie opnieuw. Het is een laboratorium waar het monster het volledige universum is.
Er zijn ook menselijke kosten verbonden aan dit soort werk die vaak onvermeld blijven. Een decennium van het leven van een wetenschapper is een zware prijs voor een stuk software. Het team in Durham en hun internationale partners besteedden jaren aan het perfectioneren van de "sub-grid"-fysica — de kleine, granulaire details die bepalen hoe sterren ontsteken en sterven. Het is een sleur van debuggen, testen en falen, alles om een resultaat te produceren dat, als het perfect werkt, er precies uitziet zoals wat we al weten. Het is de ultieme paradox van de wetenschap: je werkt tien jaar lang alleen maar om te bewijzen dat de wereld precies zo is als je vermoedde.
Een universum gemaakt van wiskunde
Een van de meest diepgaande conclusies van het COLIBRE-project is de bevestiging dat ons universum fundamenteel wiskundig is. Er is iets diep verontrustends — en misschien een beetje troostend — aan het feit dat je basisvergelijkingen van zwaartekracht, thermodynamica en vloeistofdynamica in een machine kunt stoppen en aan de andere kant een "universum" krijgt. Het suggereert dat de complexiteit die we zien wanneer we naar de Melkweg kijken geen toeval of wonder is; het is een onvermijdelijkheid. Als je de juiste ingrediënten en de juiste regels hebt, hebben de sterren geen andere keuze dan te vormen.
Voor nu mag het standaardmodel nog even voortbestaan. Het overleefde het eerste contact met de James Webb Space Telescope, grotendeels dankzij het zware werk dat in die kelder in Durham is verzet. We leven misschien in een universum dat rommelig, koud en gevuld met stof is, maar we kunnen eindelijk zeggen dat we weten hoe het stof neerdaalt. En wat betreft de dingen die de simulatie nog steeds niet kan verklaren? Dat zijn de onderdelen die de volgende tweeënzeventig miljoen uur het wachten waard maken.
Comments
No comments yet. Be the first!