simulaatio

Galaksien ja galaksijoukkojen synty on oleellinen koko maailmankaikkeuden kehityksen kannalta. Se on kuitenkin prosessina niin hidas, että suorien havaintojen tekeminen on turhauttavaa. Apu löytyy simulaatioista.

Galaksien varhaisvaiheiden simulointikaan ei ole yksinkertaista, sillä yhdessä ainoassa galaksissa voi olla satoja miljardeja tähtiä, kaasusta ja pölystä puhumattakaan. Ja mitä suurempaa avaruuden aluetta mallinnetaan, sitä enemmän siinä on yksittäisiä galakseja.

Tähän saakka massiivisin simulaatio tehtiin vuonna 2015. Nyt tuota "Illustris"-mallia on laajennettu ja uuden sukupolven simulaatiolle on annettu nimeksi "Illustris, The Next Generation".

Sekä tarkkuutta että tilavuutta on kasvatettu siten, että kolmesta uudesta mallista laajimmassa on laskentapisteitä 30 miljardia ja tarkasteltava avaruuden alue on yhdeltä kantiltaan melkein miljardi valovuotta.

Simuloidussa kuvassa kaasun lämpötilaa on kuvattu eri väreillä ja painetta kirkkauden vaihteluilla. Punainen väri suurten galaksijoukkojen keskusalueilla tarkoittaa 10 miljoonaa kelviniä. Kirkkaimmat rakenteet puolestaan kuvaavat galaksienvälistä kaasua, joka puristuu kasaan kosmisten onkaloiden ja säikeiden raja-alueilla.

Hankkeessa on ollut mukana useita yliopistoja ja tutkimuslaitoksia, ja varsinainen laskenta on tehty Stuttgartissa yhdessä Gauss-superlaskentakeskuksen kolmesta laitoksesta. Tutkijaryhmällä oli käytössä kaikkiaan 24 000 laskentaydintä, joilla tietokoneaikaa kertyi yhteensä 35 miljoonaa tuntia. Nyt julkaistun simulaation pyörittäminen aloitettiin jo kaksi vuotta sitten maaliskuussa 2016.

Galaksien synnyn simulointi ei ole pelkkää teoreettista numeroiden murskaamista, vaan se perustuu myös havaintoihin. Tietokoneeseen on syötettävä alkuehdot ja -arvot sekä esimerkiksi tähtien syntyä ja supermassiivisten mustien aukkojen kasvua kuvaavat algoritmit.

Simulaation mutkikkuutta lisää se, että siinä on otettu huomioon entistä tarkemmin myös galaktisten magneettikenttien vaikutus. Hanketta johtaneen Volker Springelin mukaan magneettikentät ovat mukana syntyprosessissa monella tavalla.

"Kosmiseen kaasuun kohdistuva magneettinen paine voi toisinaan olla yhtä suuri kuin lämpötilan aiheuttama terminen paine. Jos sen jättää huomiotta, siitä aiheutuvat ilmiöt jäävät pimentoon eivätkä tulokset ole luotettavia."

Uuden simulaation avulla saatiin tietoa myös mustien aukkojen fysiikasta. Havaintojen perusteella supermassiiviset mustat aukot sinkoavat kuumaa kaasua suurella nopeudella ympäröivään avaruuteen ja ulos galakseista.

Ilmiön on arveltu voivan "sammuttaa" tähtien synnyn kokonaan, jolloin suurimmat galaksit eivät voi kehittyä tiettyä rajaa kookkaammiksi.

Jo aiemman Illustris-simulaation perusteella näytti siltä, että mustien aukkojen ainesuihkut eivät pysty lopettamaan uusien tähtien syntyprosessia kokonaan. Kun laajennettua mallia muutettiin siltä osin hieman, saatiin teoria ja havainnot vastaamaan paremmin toisiaan.

Ennätyksellisestä simulaatiosta kerrottiin Gauss-superlaskentakeskuksen uutissivuilla ja tutkimus on ilmestynyt Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedejulkaisussa.

Kuvat: Illustris Team

Tagit

simulaatio

maailmankaikkeus

galaksien synty

mustat aukot

tähdet

Yhdysvaltain keskiosien laajoilla tasangoilla on usein huimia pyörremyrskyjä, tornadoja, jotka saavat aikaan paljon tuhoa ja joita myrskybongarit tulevat katsomaan kautta maailman.

Keskimäärin maahan asti ylettyviä tornadoja havaitaan vuodessa noin 1200 ja viime aikoina ilmastonmuutoksen myötä ne ovat tulleet yleisemmiksi sekä voimakkaammiksi.

Vuonna 2011 oli Oklahomassa oli muutamia erityisen voimakkaita pyörremyrskyjä, jotka ovat nyt heränneet uudelleen henkiin tietokoneiden simulaatioissa.

Wisconsin–Madisonin yliopiston Sääsatelliittitutkimuskeskuksen (Meteorological Satellite Studies, CIMSS) tutkija Leigh Orf on onnistunut jäljittelemään hyvin luonnollisesti supertietokoneilla todella tapahtuneen tornadon syntyä ja kehitystä, ja tulos on paitsi kiinnostava, niin myös visuaalisesti upea.

Tutkimuksella on myös löyhä yhteys Suomeen: Wisconsin–Madisonin sääosaston suuri nimi oli vuosikymmenien ajan 1950-luvun lopulta alkaen Verner Suomi, toisen polven amerikansuomalainen, joka keksi käyttää ensimmäisenä satelliiteja sääilmiöiden havaitsemiseen. Hänen mukaansa on nimetty Nasan NPP Suomi -satelliitti.

Tarkemmin Verner Suomesta voi lukea Suomi 100 -satelliitin sivuilta.

Periaatteessa se, miten nelikopteri lentää, tiedetään varsin hyvin: sen vaakatasossa olevat, pyörivät potkurit saavat aikaan nostovoimaa ja puhaltavat ilmaa alaspäin. Mutta miten ilma tarkalleen ottaen liikkuu, on ollut arvoitus.

Nyt Nasan Piilaaksossa sijaitseva tutkimuskeskus, Amesin tutkimuskeskus, on tuottanut tämän simulaation, joka näyttää miten homma oikeasti toimii. Keskuksen tutkijat käyttävät normaalisti supertietokoneita ja ilman virtausanalyysiä lentokoneiden ja muiden ilma-alusten aerodynamiikan määrittelyyn, mutta samat luonnonlait pätevät myös pieneen DJI Phantom 3 -nelikopteriin.

Monien harrastajien suosimaa kopteria on tässä hieman muunneltu, mutta periaate on täsmälleen sama kuin Suomenkin taivaalla viuhuvissa laitteissa.

Erityisen kiinnostavaksi nelikopterin tekee sen ristimäinen muoto: ilma kiertää alas liikkuessaan rungon ja muodostaa varsin monimutkaisen, osin kaoottisen virtauskuvion.

Animaatiossa nelikopteri on ikään kuin lennossa, eli maa tai mikään lähellä oleva pinta ei häiritse ilman virtausta. Ilmavirrat ovat animaatiossa viivoina ja paine-erot näkyvät eri väreinä siten, että keskimääräistä korkeampi paine on punaista ja matalampi sinistä.

Pienen akkukäyttöisen lelun tutkiminen auttaa parantamaan myös isompien nelikopterien ja niiden roottorisysteemien hyötysuhdetta, sillä tutkijat onnistuivat parantamaan roottorien tuottamaa nostovoimaa pienien, simulaation pohjalta tehtyjen muutosten avulla lähes kaksinkertaiseksi.

Samankaltaista virtausdynamiikan simulointia tehdään myös Suomessa mm. CSC Tieteen tietotekniikan keskuksen supertietokoneilla – ja yhä useammin myös kannettavilla tietokoneilla, joiden tehot vastaavat hyvin ammoisia supertietokoneita.

Video: NASA Ames Research Center/NASA Advanced Supercomputing Division/Tim Sandstrom

Tutkijat ovat onnistuneet rakentamaan päättelykoneen, jonka avulla todellisuutta voi mallintaa simulaattoreilla mahdollisimman hyvin. Se tuo suurta apua kaikille tieteenaloille, joilla käytetään laskennallista simulointia.

Päättelykone on nimensä mukaisesti päätöksenteossa käytettävä apuväline. Käytännössä se on tietokoneohjelmisto, joka pystyy jäljittelemään haluttua päätöksentekosysteemiä ja löytämään siitä loogisia polkuja – eli päättelee optimaalisia ratkaisuita ongelmaan.

Sellaisen avulla voidaan merkittävästi vähentää tuntemattomien parametrien arviointiin tarvittavien raskaiden simulaatioajojen määrää ja johon on helppo lisätä uusia päättelymenetelmiä.

Otaniemessä on onnistuttu tekemään varsin pätevä sellainen, niin sanottu ELFI-päättelyohjelmisto (Engine for Likelihood-Free Inference), ja se on nyt kaikkien vapaasti käytettävissä.

”Laskennallinen tutkimus perustuu isolta osin simulointiin, ja simulaattorien parametrien sovittaminen dataan on keskeisen tärkeää, jotta simulaattori saadaan kuvaamaan todellisuutta mahdollisimman hyvin", kuvailee Aalto-yliopiston tietotekniikan laitoksen professori, COIN-huippuyksikön johtaja Samuel Kaski.

"Kehittämämme ELFI-päättelyohjelmisto tekee tämän aiemmin erittäin vaikean tehtävän mahdollisimman helpoksi: menetelmänkehittäjät saavat pienellä vaivalla uudet päättelymenetelmänsä laajaan käyttöön, ja muiden alojen tutkijat pääsevät hyödyntämään uusimpia ja tehokkaimpia menetelmiä. Avoimet ohjelmistot edistävät toistettavuutta ja avointa tiedettä.”

Avoimesti kaikkien saatavilla olevan ohjelmiston taustalla on bayesilainen päättely ilman uskottavuusfunktiota, jota pidetään yhtenä tilastotieteen tärkeimmistä innovaatioista viime vuosikymmenten aikana. Siinä simulaattorin ulostuloja verrataan todellisiin havaintoihin, ja satunnaisuuden vuoksi simulaatioajot joudutaan tekemään useampaan kertaan. Päättelyohjelmisto tehostaa tuntemattomien parametrien estimointia muun muassa bayesilaisella optimoinnilla, joka vähentää tarvittavien simulaatioajojen määrää useilla kertaluokilla.

Sovelluksia lääketieteessä ja ympäristötieteissä

Päättelykoneen käyttäjiksi kaavaillaan sellaisen alojen tutkijoita, joille perinteisesti käytetyt tilastolliset menetelmät eivät sovellu.

”Simulaattoreita voidaan soveltaa monella alalla. Esimerkiksi taudin simuloimisessa voidaan huomioida, miten tauti tarttuu ihmisestä toiseen, missä ajassa ihminen paranee tai ei parane, miten virus voi mutatoitua tai montako erilaista uniikkia virusmutaatiota on olemassa. Joukko simulaattoriajoja tuottaa siten todellista tilannetta kuvaavan jakauman”, kertoo professori Aki Vehtari.

ELFI-päättelykone on helppokäyttöinen ja skaalautuva, ja itse päättelyongelma voidaan määritellä helposti graafisen mallin avulla.

"Ympäristötieteissä ja sovelletussa ekologiassa käytetään simulaattoreita, tutkimaan ihmistoiminnan vaikutuksia ympäristöön. Esimerkiksi Suomen ympäristökeskuksessa (SYKE) on kehitteillä ekosysteemimalli, jolla tutkitaan ravinteiden kiertoa Saaristomerellä ja esimerkiksi maatalouden tai kalankasvatuksen kuormitusten vaikutusta leväkukintoihin. Näiden mallien parametrisointi ja niiden ennusteisiin liittyvä epävarmuuden arviointi on laskennallisesti haastavaa. Tulemme testaamaan ELFI-päättelykonetta näissä analyyseissa. Toivomme, että mallien parametrisointia pystytään päättelykoneen avulla nopeuttamaan ja parantamaan, jolloin johtopäätökset ovat paremmin perusteltavissa", kertoo apulaisprofessori Jarno Vanhatalo Helsingin yliopiston ympäristötilastotieteen tutkimuksesta.

Päättelykoneen kehittivät yhteistyössä Aalto-yliopiston tutkijat Antti Kangasrääsiö, Jarno Lintusaari, Kusti Skytén, Marko Järvenpää, Henri Vuollekoski, Aki Vehtari ja Samuel Kaski, edustaen sekä Aalto-yliopiston ja Helsingin yliopiston yhteistä tietotekniikan tutkimuslaitosta (HIIT) että laskennallisen päättelyn huippuyksikköä (COIN), Michael Gutmann Edinburghin yliopistolta sekä Jukka Corander, joka edustaa sekä Helsingin yliopiston matematiikan ja tilastotieteen laitosta että Oslon yliopistoa. Suomen Akatemia rahoittaa tutkimushanketta.

Päättelykone löytyy verkosta osoitteesta http://elfi.readthedocs.io.

Juttu perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen. Kuva: Flickr / Dean Hochman

Tagit

Tähti nimeltä J1407 on Kentaurin tähtikuviossa noin 420 valovuoden päässä sijaitseva nuori tähti, jolla on varsin jännä kiertolainen: eksoplaneetta, jonka massiivinen rengassysteemi saa oman Aurinkokuntamme rengaskuningatar Saturnuksen näyttämään hassulta kääpiöltä. Ei ihmekään, että tätä J1407b -planeettaa on kutsuttu Saturnukseksi steroideilla.

J1407 ja sitä kiertävä J1407b eivät ole mikään uusi tuttavuus. Eksoplaneetan löysi Rochesterin yliopiston Eric Mamajekin johtama ryhmä vuonna 2012, ja silloin he myös havaitsivat J1407b:n omituiset pimentymiset. Ainoa selitys omituisiin valonvaihteluihin oli epätavallisen suuri rengassysteemi planeetan ympärillä.

Mamajek joukkoineen on tutkinut sitä sen koommin ja julkaissut säännöllisin välein uusia löytöjään sekä päätelmiään tästä Super-Saturnuksesta.

Itse planeettaa ei tunneta hyvin tarkasti, mutta sen arvioidaan olevan massaltaan 16 – 26 kertaa Jupiterin massa ja kiertää tähtensä noin vuosikymmenessä. On myös mahdollista, että kyseessä olisi ruskea kääpiö, eli ikään kuin suutariksi jäänyt tähti.

Sen jännittävä rengassysteemi on säteeltään jopa 90 miljoonaa kilometriä, eli noin 200 kertaa suurempi kuin Saturnuksella.

Valonvaihteluiden avulla on voitu päätellä, että renkaissa on vyöhykkeitä samaan tapaan kuin Saturnuksella, ja renkaissa on ainakin yksi kookkaampi aukko: se on noin 61 miljoonan kilometrin päässä planeetan keskustasta ja sen saanee aikaan hieman maapalloa kevyempi planeettaa kiertävä kuu.

Uutta: renkaat kiertävät "väärään" suuntaan

J1407b on nyt ajankohtainen jälleen siksi, että japanissa supertietokoneiden parissa työskentelevä Steven Rieder ja Leidenin observatoriossa, Alankomaissa, oleva Matthew A. Kenworthy julkaisivat juuri planeettaa koskevan kiinnostavan tutkimuksen Astronomy & Astrophysics -lehdessä.

Heidän tutkimuksensa perustuu jännittävään simulaatioon tilanteesta, missä J1407b tulee radallaan lähelle tähteä, kuten tapahtuu aina välillä. Aiemmin oli arvioitu, että tähden pitäisi hajottaa renkaat vetovoimallaan, mutta simulaatio osoittaa, että näin ei tapahdu, jos renkaat kiertävät planeettaansa vastakkaiseen suuntaan kuin planeetta kiertää tähteään.

Tämä on varsin harvinaista, sillä kaikki planeettoja kiertävät kappaleet asettuvat normaalisti kiertämään niitä samaan suuntaan kuin planeetta kiertää keskustähteään. Ongelmana onkin nyt se, miten ihmeessä renkaat ovat voineet kääntyä kiertämään "väärään" suuntaan planeettaansa.

Renkaat eivät ole suinkaan yksi kiinteä kappale planeetan ympärillä, vaan koostuvat miljoonista eri kokoisista kappaleista, pölystä ja erilaisista hitusista, jotka ovat asettuneet kuiden paimentamana renkaan muotoon.

Yksi vaihtoehto on se, että jossain vaiheessa planeettaan on törmännyt jokin suuri kappale, joka olisi saanut aikaan päinvastaisen pyörimisen. Samalla törmäyksessä olisi sinkoontunut avaruuteen ainetta, joka on muodostanut jättirenkaat.

Alla on kaksikon tekemä animaatio renkaan käyttäytymisestä silloin, kun se kiertää "oikeaan" ja "väärään" suuntaan.

Juttua on muutettu kohdassa, missä renkaiden kokoa verrattiin Saturnuksen renkaisiin. Alkuperäisessä jutussa vertauskohtana oli Saturnuksen renkaiden tihein osa, mutta nyt huomioon on otettu myös heikommat renkaiden osat aina ns. E-renkaaseen saakka.

Tagit

eksoplaneetat

renkaat

simulaatio

Yllä olevalla videolla esitellään HI-SEAS -tutkimushankkeen tiloja Mauna Loa -tulivuoden rinteellä noin 2500 metrin korkeudessa, missä tänään aamulla Suomen aikaa päättyi yli vuoden kestänyt avaruuslennon matkimiskoe.

Nyt aamulla Suomen aikaa päättyneessä vuoden kestävässä kokeessa oli mukana kuusi vapaaehtoista, joista neljä oli amerikkalaisia (lentäjä, arkkitehti, toimittaja ja maaperätutkija), yksi ranskalainen astrobiologi ja saksalainen fyysikko.

He olivat sulkeutuneet asemaansa viime elokuussa ja elivät siellä siitä alkaen siellä samaan tapaan kuin astronauttien oletettaisiin olevan Marsissa: he olivat vain asemansa sisällä varsin askeettisissa oloissa ja poistuivat sieltä ainoastaan kerran viikossa "avaruuspuvut" päällään marsmaiseen ympäristöönsä.

Vuoden aikana he söivät vain pakastekuivattuja ja muuten hyvin säilyvää ruokaa, eli juuri sellaista ravintoa, mitä pitkäkestoisella Mars-lennollakin syötäisiin. Vettä ja sähköä oli saatavissa vain rajoitetusti, aivan kuten Mars-asemallakin.

_{Juttu jatkuu mainoksen jälkeen}

Kyseessä oli jo neljäs tutkimukseen osallistunut ryhmä. Edelliset miehistöt ovat olleet asemansa sisällä lyhyempiä aikoja. Edellinen, viime vuoden elokuussa "lentonsa" päättänyt ryhmä vietti eristyksissä kahdeksan kuukautta. Yllä olevan videon on tehnyt tuo edellinen, kahdeksan kuukautta asemalla ollut ryhmä.

Tätä HI-SEAS -tutkimushanketta toteuttaa Havaijin yliopisto suurelta osin Nasan rahoituksen turvin. Nimi HI-SEAS tulee sanoista Hawaii Space Exploration Analog and Simulation.

Kokeessa jäljiteltiin ainoastaan oleskelua Marsissa ja sen tärkein tarkoitus oli avaruustekniikan testaamisen sijaan selvittää miten ihmiset käyttäytyvät olosuhteissa, jotka ovat Mars-lennon kaltaiset. Tässä kokeessa siis keskityttiin ainoastaan mahdollisen Mars-lennon tutkimusvaiheeseen, eli aikaan, jolloin miehistö on Marsin pinnalla. Se oli siis tässä mielessä yksinkertaisempi kuin esimerkiksi puolitoista vuotta kestänyt Mars500-koe vuosina 2010-2011.

Heidän kupumainen asumuksensakin oli hyvin samanlainen mitä tulevista Mars-asemista kuvitellaan, joskin se ei ollut ilmatiivis ja samaan tapaan suojattu ympäristöään vastaan kuin Marsissa pitää olla. Yllä olevalla videolla esitellään sitä tarkemmin.

Kuva: Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS

Tuore tutkimus on onnistunut ensimmäistä kertaa simuloimaan, kuinka Marsin kuut ovat voineet syntyä. Tapahtuma muistuttaa yllättävän paljon oman Kuumme alkuhetkiä, vaikka tulos onkin aivan erilainen.

Naapuriplaneetallamme on kaksi pientä kuuta, Phobos ja Deimos. Kuiden suurin mysteeri on aina ollut niiden alkuperä. Kuinka ihmeessä kaksi ilmiselvää asteroidia on päätynyt kiertämään Marsia lähes täydellisillä ympyräradoilla?

Nature Geoscience -tiedelehdessä julkaistussa uudessa tutkimuksessa onnistuttiin pääsemään lähemmäs asian selvittämistä. Siinä saatiin vihdoin toistettua tapahtumien mahdollinen kulku.

Kuiden synty näyttää olevan suuressa törmäyksessä noin 4,5 miljardia vuotta sitten. Marsiin törmäsi tuolloin suuri protoplaneetta, ja räjähdyksestä lentänyt materia muodosti tiiviin rengassysteemin sen ympärille. Sittemmin aineesta kasautui jopa 7–8 erillistä pikkukuuta, suurimmat kiekon sisäosiin. Kaikkein suurin niistä oli halkaisijaltaan ehkä 200-kilometrinen.

Suurin osa sisimmistä kuista törmäsi takaisin Marsiin vain muutamassa miljoonassa vuodessa. Ainoat pidempiaikaiset kuut ovat Phobos ja Deimos – ja niistäkin sisempi tulee putoamaan alas (geologisessa) lähitulevaisuudessa.

Simulaation tulokset ovat kauniita, jopa elegantteja. Tärkeitä ne ovat kuitenkin siksi, että ne ovat testattavissa.

Tulevat luotainlennot pystyvät selvittämään, koostuvatko kuut keskenään samankaltaisesta materiaalista. Sekä etenkin sen, onko niillä jotain yhteistä Marsin kanssa. Mallin mukaan niiden pitäisi olla sekalaisia kasoja proto-Marsin vaippaa sekä törmääjää. (Viimeisimmät havainnot itse asiassa kertovat kummankin kuun todella olevan isoja kivimurskalekasoja, mikä on todella hyvä merkki tälle mallille).

Ja emoplaneetaltakin voisi löytyä jälkiä tapahtumasta. Vaikka muiden kuiden tuhoutumisesta onkin jo kauan, Marsin pinnalta voisi kenties löytyä merkkejä tapahtumista sopivien kraatterien muodossa. Nyt tiedetään, mitä pitäisi etsiä.

Kuva: Törmäysteorioiden mukaiset syntytavat Kuulle sekä Phobokselle, Deimokselle ja niiden tuhoutuneille sisaruksille. Maa ja Mars on skaalattu saman kokoisiksi. (Jarmo Korteniemi).

Kuut hieman kuin Kuu

Koko prosessi muistuttaa kovin oman Kuumme syntyä. Siitäkin väännettiin aikanaan kättä pitkään, kunnes jättitörmäyksen todettiin selittävän havainnot parhaiten. Erona Marsin tapaukseen on, että meille syntyi suuri planeettamainen kuu.

Marsiin törmännyt kappale oli halkaisijaltaan kolmanneksen planeetasta (massa 1/27), ja Maahan törmännyt peräti puolet planeetasta (massa 1/8). Kokoero ei kuitenkaan yksinään selitä erilaista lopputulosta.

Ratkaisevin ero törmäysten välillä näyttää yllättäen olleen pyörimisaika, kertoo mallinnus. Mars pyöri akselinsa ympäri lähes nykyisellä nopeudella (24 h/kierros), Maa taas paljon vinhammin (4 h/kierros). Syntyviin kiertolaisiin vaikuttavat vuorovesivoimat olivat erilaiset, ajaen niitä eri suuntiin.

Oma Kuumme loittonee yhä, hidastaen Maan pyörimisliikettä vieläkin.

Monta syntyideaa

Marsin kuiden alkuperä on tuottanut tutkijoille päänvaivaa jo kauan. Kuiden on esitetty päätyneen nykyisille paikoilleen kahdella tavalla, ja kummankin puolesta on esitetty lähinnä huteria aihetodisteita. Ne ovat silti olleet käytännössä vain hypoteeseja, vailla mitään todellista lupausta edes perusidean toimivuudesta.

Ensimmäisen idean mukaan ne olisivat kaapattuja asteroideja. Ongelmana kuitenkin on, että yksinäisen planeetan on lähes mahdotonta kaapata yhtään mitään kiertolaisekseen. Edes hetkellisesti, saati sitten pysyvästi ja vieläpä kahta, lähes pyöreille radoille.

Toinen idea kertoo niiden koostuvan heitteleestä, joka sinkoutui avaruuteen suuren asteroidin törmätessä Marsiin. Tässä ongelma on saada aikaan kaksi kuuta. Tai on ollut tähän saakka.

Kolmaskin idea oli: Sen mukaan ainakin Phobos on keinotekoinen ontto metallirakennelma. Laskut kyllä pitivät paikkansa, mutta ne perustuivat aivan liian huteriin havaintoihin. Idea kuoli heti alkuunsa jo 1960-luvulla.

Nyt tehty simulaatiokaan ei anna vielä missään nimessä varmaa tietoa. Se vain kertoo, mikä on nykytietämyksen valossa mahdollista – ehkä jopa todennäköistä.

Jatkotutkimuksille on siis kova tarve.

Asiasta kertoi Suomessa ensimmäisenä Tiedetuubi. Jutun pohjana toimi CNRS:n uutinen, ja Nature Geosciencen tiedeartikkeli jäi tällä kertaa maksumuurin taa.

Alla pätkä simulaatiosta. Punaiset palaset ovat peräisin proto-Marsista, siniset törmääjästä.

Päivitys 6.7. klo 7.45: Lisätty kuva ja muokattu useita lauseita.

Otsikkokuva: Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS.

Tagit

Kuvassa on tietokonemallinnus virtauskentistä pienessä näytepalasessa suomalaisvetoisen tutkijaryhmän työn tuloksena.

Siinä suuntavektoreiden punainen väri edustaa nopeaa ja sininen hidasta virtausta, kun taas keltainen sekä vihreä väri edustavat nopeuksia ääripäiden välistä.

Mutta mistä siinä on kyse?

Kuvan palanen on olevinaan hiekkakiveä, mutta supertietokoneen simuloimana. Huokoisen kivenpalasen fysikaaliset ominaisuudet ja rakenne on laitettu simulaatioon, ja sitten tietokone laskee miten neste – tässä tapauksessa vesi – kulkee sen läpi.

Hiekkakiven ja muiden huokoisten materiaalien tutkimus on kiinnostavaa paitsi perustutkimuksen vuoksi, niin myös siksi, että esimerkiksi öljyteollisuus on hyvin kiinnostunut siitä, miten nesteet virtaavat huokoisessa kivessä. Tiedolla on myös käyttöä eroosion ennustamisessa, yhteiskuntainfrastruktuurin suunnittelussa, saasteiden vaikutusten tutkimisessa ja monessa muussa yllättävässäkin asiassa: myös osteoporoosin haurastama luu on huokoista kalkkipitoista ainetta, ja sen ominaisuuksien simulointi on tärkeää.

Näiden materiaalien tutkimus laboratoriossa on hankalaa, koska niiden rakenteen sekä nesteenläpäisy- ja johtamisominaisuuksien tutkiminen samanaikaisesti laajassa mittakaavassa ja yksityiskohtaisesti on lähes mahdotonta.

Siksi näytteiden käyttäytymisen mahdollisimman luonnollinen jäljittely tietokoneella on hyvin hyödyllistä. Mitä suurempi 'näyte' voidaan simuloida ja mitä tarkemmin siinä onnistutaan, sitä parempi.

Ja koska suomalaisjohtoinen tutkimusryhmä onnistui tekemään tämän suuremmalla näytteellä noin tuhat kertaa tarkemmin kuin aikaisemmin, on syytä olla tyytyväinen.

Tutkimus julkaistiin Journal of Computational Science -lehden tuoreessa numerossa.

"Mittasuhteiden hahmottamiseksi kuvittele tavallinen noppa, joka ensin viipaloidaan yli 16 000 poikkileikkeeseen, ja sitten kukin leike kuvataan tarkkuudella, jonka esittämiseen edes nykyaikaisimmat elokuvateatterit eivät vielä kykene", tutkijatohtori Keijo Mattila Jyväskylän yliopistosta kertoo.

Nykyaikaisimmat teatterit näyttävät elokuvia 4K-kuvana, eli 4096 × 2160 pikselin tarkkuudella.

Kooltaan 1,5 cm³ olevan kivinäytteen rakenne koostuu noin miljoonasta mikroskooppisen pienestä, osittain toisiinsa kytkeytyneestä hiekanjyväsestä. Näiden jyvästen väliin jäävä tila muodostaa huokosverkoston, jota pitkin vesi ja muut virtaavat ainekset pääsevät kulkeutumaan. Tutkijaryhmän toteuttama tietokonesimulaatio mallintaa virtausta tällaisessa huokosverkostossa, ja siten virtausta kokonaisen kivinäytteen läpi.

Temppu on kiinnostava myös simulaatioteknisesti: tässä käytettiin kolmiulotteista kuvaa, joka koostuu 16384³ vokselista (joka on pikselin kolmiulotteinen vastine). Tämä tarkoittaa hieman alle mikrometrin resoluutiota, johon ei aiemmin ole kyetty samankokoisilla materiaalinäytteillä.

Vaativa laskutoimitus suoritettiin Iso-Britanniassa, Edinburghissa olevalla Archer-supertietokoneella, jonka koko kapasiteetista simulaatiota varten varattiin 96 % yhtäjaksoisesti 10 tunnin ajan.

Simulaatio edellytti 137 teratavua tietokoneen keskusmuistia, joka vastaa noin 17 000 tavallisen kannettavan tietokoneen yhteenlaskettua muistia. Tehtävän suorittamisen sähkönkulutus oli kokonaisuudessaan noin 7500 kWh.

Lisäksi tutkijaryhmä teki suorituskykymittauksia maailman toiseksi tehokkaimmalla supertietokoneella, Yhdysvalloissa Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa olevalla Titan-supertietokoneella. Kun sen laskentayksiköistä oli käytössä 88 %, eli 16384 laskentaan soveltuvaa grafiikkaprosessoria, mitattiin ryhmän kehittämälle simulaatio-ohjelmistolle laskentatehokkuudeksi 1,77 petaflopsia.

Tämä tarkoittaa 1 770 000 miljoonaa miljoonaa laskutoimitusta sekunnissa.

Simulaatioennätys on kiinnostava läpimurto paitsi huokoisten materiaalien tutkimuksessa, niin myös simulaatio tekniikassa. Se myös osoittaa konkreettisesti kuinka tietokonesimulointi voi olla tulevaisuudessa yhä enemmän avuksi laajemmin materiaalitutkimuksessa.

Ja myös käytännön ongelmissa, mistä osoituksena on se, että Mattilan koordinoimaan tutkijaryhmään kuuluu jäseniä myös Brasilian kansallisen öljy-yhtiön Petrobrasin tutkimuskeskuksesta. Muut jäsenet ovat Tampereen teknillisestä yliopistosta, Luonnonvarakeskuksesta ja Åbo Akademista. Simulaatio-ohjelmiston kehittämisessä hyödynnettiin Tieteen tietotekniikan keskuksen CSC:n tarjoamia laskentapalveluita.

Artikkeli perustuu Jyväskylän yliopiston tiedotteeseen.

Huom:
Jutun otsikkoa on muutettu 22.12. aamulla: numero 163843 on muutettu 4398 miljardiksi. Julkaisujärjestelmä ei suostu näyttämään otsikossa potenssimerkkiä, joten 16384³ oli muuttunut muotoon 163843. Tarkalleen 16384³ on 4398046511104.

Tagit

Millainen sää on ulkona? Se selviää helposti ikkunaa avaamatta ja netistä katsomatta, kun pöydälläsi on Temperoskooppi.

Kyseessä on japanilaisen suunnittelijan Ken Kawamoton kehittämä laite, joka lukee netistä säätiedot ja luo LED-lamppujen, veden, ultraäänen sekä äänitehosteiden avulla pienen, suljetun laatikon sisälle ulkona vallitsevan säätilan. Voit siis laatikkoa vilkaisemalla tietää millainen sää on – ja samalla laatikko voi valmentaa sinua jo henkisesti kohtaamaan vaikkapa kaatosateen ovesta ulos astuessasi.

Laite ei itse asiassa ole vielä markkinoilla, mutta ohjeet sen tekemiseen ovat vapaasti saatavissa Tempescopen nettisivuilta.

Alla oleva video näyttää, mitä omituisuudessaan kiinnostava laite oikein tekee:

Tagit

säätila

simulaatio

Alex Parker on julkaissut huikaisevan videon asteroidivyöhykkeestä. Kalifornian yliopiston tähtitieteen laitoksella Berkeleyssä planeettatutkijana toimiva Parker on erikoistunut paitsi aurinkokunnan pienkappaleisiin, myös visualisoimaan tieteellistä dataa erittäin kauniisti.

Painted Stone: Asteroids in the Sloan Digital Sky Survey from Alex Parker on Vimeo.

Kolmiminuuttinen video kannattaa katsoa läpi ainakin kahdesti. Täydellä ruudulla. Ensin ihmetellen kauniista kokonaisuutta, sitten tarkastellen yksityiskohtia.

Väreillä on eroteltu erilaisia koostumuksia ja ns. asteroidiperheitä. Vestan "sukulaiset" näkyvät vihertävinä asteroidivyöhykkeen sisäosissa. Ulompana yleisimmät C-tyypin hiilipitoiset asteroidit ovat sinisiä ja Jupiterin Lagrangen pisteissä kiertävät troijalaiset punaisia. Parker on osoittanut tieteellisesti, että perheitä on lähes 40. Jokaiseen kuuluu vähintään sata asteroidia, jotka kaikki voidaan tunnistaa sekä radan että spektrin perusteella.

Simulaatiossa on mukana yli satatuhatta asteroidia. Tämä on kuitenkin vain noin viidennes juuri nyt virallisesti tunnistetuista 634504 pienkappaleesta*. Lisää löytyy koko ajan; luku on tässäkin kuussa kasvanut yli tuhannella. Asteroidien löytöhistoria on sekin varsin ällistyttävää katsottavaa.

* Suurin osa sijaitsee asteroidivyöhykkeellä, mutta osa löytyy kauempaa, jopa kaasuplaneettojen ratojen tuolta puolen.

Törmäyksiä loputtomassa tyhjyydessä

Onko asteroidivyöhykkeellä siis tungosta? Vaatiiko kivien välissä navigointi ilmiömäisiä refleksejä scifi-elokuvien toimintakohtausten tyyliin?

Star Wars -elokuvassa asteroidit ovat hyvin lähellä toisiaan.

Vastaus on ehdoton ei. Päinvastoin. Asteroidit on Parkerin videolla kuvattu suhteettoman suurina, koska muuten niitä ei voisi nähdä. Vaikka asteroideja olisi miljardi kertaa enemmän kuin simulaatiossa (eli noin 10¹⁴ kappaletta), niiden keskimääräinen välimatka olisi siltikin useita tuhansia kilometrejä, projisoituna ekliptikan tasoon. Todellisuudessa matkat ovat vieläkin suurempia, sillä radat ovat yleensä vielä kallistuneita tasoon nähden. Seudulle sattunut satunnainen matkailija joutuisi siis suunnittelemaan reittinsä erittäin tarkkaan, jotta onnistuisi edes näkemään jonkin asteroidin paljain silmin.

Mutta nuo ovat keskimääräisiä etäisyyksiä. Joskus asteroidit törmäävät, sekä toisiinsa että kuihin ja planeettoihin. Avaruusteleskooppi Hubble onnistui vuonna 2010 kuvaamaan asteroidin, joka oli hajonnut törmäyksessä. Aivan vastikään Kuuhun törmäsi pieni kappale, ja tasan vuosi sitten Venäjän Tseljabinskin yllä tuhoutui parikymmenmetrinen murikka aiheuttaen tuhoa ja kaaosta.

Siksipä Alex Parkerin videota katsellessa kannattaa kinnittää huomiota myös Maan radan ohittaviin asteroideihin. Se kolmanneksi pienin rinkula siinä keskellä. Ja samalla muistaa, että simulaatiossa on vain pieni osa asteroideista.

Yksikään tunnettu asteroidi ei ole lähitulevaisuudessa törmäämässä Maahan. Kaikkia asteroideja ei kuitenkaan tunneta - kenties ikinä. Ja tunnettujenkin radat ovat sen verran kaoottisia, että laskujen epävarmuus kasvaa mitä pidemmälle tulevaisuuteen mennään.

27.2.2014: Korjattu asteroidien välisten etäisyyksien kuvausta.

Tagit

Tilaa aihepiirin simulaatio RSS-syöte