این 25میلیارد کهکشان به طور کامل در یک شبیه سازی زندگی می کنند!

شناختن جهان و دانستن اینکه چگونه در طول میلیارد ها سال تکامل یافته است کار بسیار دشواری است.از طرفی این کار مستلزم نگاه دقیق به میلیارد ها سال نوری در عمق فضاست(و البته میلیارد ها سال گذشته)تا بتوان دریافت یک چنین ساختار بزرگی چگونه در طول زمان دستخوش تغییر می شود.

از طرفی دیگر، قدرت محاسباتی بسیار زیادی نیاز است تا بتوان با شبیه سازی مشخص کرد که این ساختار چه شکلی دارد(بر اساس فیزیک شناخته شده) و آیا این شبیه سازی با این ساختار مطابقت دارد یا خیر.

به همین دلیل تیمی از اخترفیزیک دانان از دانشگاه UZH زوریخ از ابرکامپیوتری به نام Piz Daintاستفاده کردند. با این ماشین پیچیده، آنها ساختار کامل جهان را شبیه سازی کرده و کاتالوگی از حدود بیست و پنج میلیارد کهکشان مجازی را تهیه کردند. این کاتالوگ در تاریخ ماموریت ESA’s Euclid در سال 2020 شروع به کار خواهد کرد و به مدت شش سال جهان را برای تحقیق در مورد ماده ی تاریک مورد بررسی قرار خواهد داد.

جزئیات کار این تیم طی  یک مقاله که اخیرا در مجله ی کیهان شناسی و اخترفیزیک محاسباتی منتشر شد، مورد بررسی قرار گرفت.این تیم تحت رهبری داگلاس پاتر ، طی سه سال گذشته بر روی ارتقاء یک کد بهینه سازی شده (با دقتی بی سابقه) کار کردند که این کد برای توضیح پویایی و دینامیک ماده ی تاریک و همچنین ساختار سازه های بزرگ در جهان مورد استفاده قرار می گیرد.

این کد که با نام  PKDGRAV3شناخته می شود،به طور خاص برای این امر طراحی شده که بتواند با بهترین کارایی از حافظه ی در دسترس استفاده و قدرت معماری های ابر محاسباتی مدرن را پردازش کند. بعد از اینکه این کد روی ابرکامپیوتر “Piz Daint” اجرا شد (این کامپیوتر در مرکز ملی رایانه ی سوئیس قرار دارد) تنها پس از گذشت 80ساعت توانست جهانی مجازی متشکل از دو تریلیون ذرات ماکرو تولید کند که نهایتا از آن کاتالوگی شامل 25میلیارد کهکشان مجازی استخراج شد.

بر اساس این محاسبات به طور طبیعی می توان فهمید که مایع ماده ی تاریک تحت جاذبه ی ذاتی خود تکامل یافته است و بنابراین ، این امر منجر به تولید ساختار هایی شده که به هاله های ماده ی تاریک معروف هستند. بر اساس نظریه ای (که معتقد است کهکشان ها، مقداری  فراتر از اندازه ی قابل دیدنشان دارند) کهکشان هایی مثل کهکشان راه شیری در درون این هاله ها تشکیل شده اند.

طبیعتا این موضوع چالشی را بوجود آورده است ، بر این اساس نه تنها محاسبه ی دقیق چگونگی تکامل ماده ی تاریک مد نظر است ، بلکه نیاز است بدانیم این ماده چگونه و چه تاثیری بر سایر قسمت های جهان می تواند داشته باشد .همانطور که پروفسور مرکز فیزیک نظری و کیهان شناسی دانشگاه زوریخ ، Joachim Stadel و همکارش طی این ایمیل به Universe Today گفتند:

"ما دو تریلیون ذرات شبه ماده ی تاریک را شبیه سازی کردیم ، بزرگ ترین عمل محاسباتی این چنینی که تابحال انجام گرفته.برای این کار ما باید از یک روش محاسباتی به نام "متد چندتایی سریع" استفاده می کردیم و همچنین باید یکی از سریع ترین کامپیوتر های موجود در جهان را یعنی "Piz Daint"که در مرکز ملی کامپیوتر سوئیس قرار دارد ،بکار می گرفتیم.این کامپیوتر علاوه بر ویژگی های متعددی که دارد ، ذرات پردازشی گرافیکی با سرعت بسیار بالایی را در اختیار دارد که سرعت بسیار زیادی که برای محاسبات نقاط شناور در شبیه سازی  نیاز داریم را فراهم می کند.ماده ی تاریک به هاله های ماده ی تاریک متصل است که خود، کهکشان هارا در بر میگیرند.محاسبات ما بطور دقیق، شیوه ی توزیع و ویژگی های ماده ی تاریک و همچنین هاله ها را تعیین می کند اما کهکشان ها با تمام خصوصیاتشان با استفاده از یک مدل باید در داخل این هاله ها قرار بگیرند.این بخش از کار توسط همکاران ما در بارسلونا زیر نظر پابلو فسابلا و فرانسیسکو کاسترند انجام شد. این کهکشان ها در نهایت رنگ های مورد انتظار ، توزیع فضایی و خطوط انتشار (مهم برای مشاهدات طیفی Euclid) را دارا بودند. و میتوانند برای تست و درجه بندی خطاهای تصادفی و سیستماتیک که در داخل خط لوله های Euclidایجاد می شوند مورد استفاده قرار گیرند."


طرحی از کاوشگر Euclid که در سال 2020 پرتاب خواهد شد.

بخاطردقت بالای محاسباتشان، این تیم توانست کاتالوگی ارائه دهد که در راستای اهداف ماموریت Euclid آژآنس فضایی اروپا بود. ماموریتی که بزرگ ترین هدفش کشف جهان تاریک است.این نوع تحقیقات برای فهم جهان در ابعاد خیلی بزرگ ضروری است زیرا بخش اعظم جهان، تاریک است.

به غیر از 23% جهان که از ماده ی تاریک تشکیل شده و 72% آن که از انرژی تاریک تشکیل شده است تنها یک بیستم جهان از ماده ای ما با تجهیزات موجود قادر به دیدنش هستیم شکل گرفته است (منظور ماده ای نورانی و باریونی است) بر خلاف چیزی که در دهه های 60تا90 میلادی مرتبا گفته می شد، ماده ی تاریک و انرژی تاریک  از بزرگ ترین اسرار کیهان شناسی هستند.

با وجود اینکه وجود آنها برای مدل های فعلی کیهان شناسی ما لازم است وجوشان تنها از طریق مشاهدات غیر مستقیم مشخص شده است این دقیقا همان روشی است که این کاوشگر در طی ماموریت شش ساله ی خود بکار خواهد گرفت. به این صورت که از میلیارد ها کهشکان نور را جذب می کند و آن را برای بررسی اختلاف های موجود ناشی از وجود جرم و ماده در فضای زمینه آن را اندازه گیری  می کند.

در روشی مشابه ، به دلیل حضور یک فضای گرانشی بین ناظر و نور پس زمینه ای مقداری انحراف ایجاد می شود و مورد محاسبه قرار میگیرد ( همان آزمون تکراری نسبیت عام) . وجود ماده ی تاریک تاثیری گرانشی بر روی نور می گذارد.همانطور که Stadel توضیح داد، جهان شبیه سازی شده ی آنها نقش بسیار مهمی را با فراهم کردن یک چهارچوب مناسب  در طی ماموریت کاوشگر Euclid و همچنین پس از آن ایفا خواهد کرد.


این دیاگرام نشان دهنده ی جهان Lambda-CBR از زمان انفجار بزرگ(بیگ بنگ) تا عصر حاضراست.

او گفت:

به منظور دانستن اینکه مولفه های فعلی تا چه اندازه قادر به اندازه گیری دقیق هستند جهان از تجمع کهکشان هایی که تا حد امکان بهم نزدیک هستند شکل میگیرد تا جایی که بتوان آن را بسیار شبیه به جهان واقعی مشاهده شده طراحی کرد.این کاتالوگ کهکشانی چیزی ست که از همین روش تولید شده و مورد استفاده قرار میگیرد.بهرحال در آینده وقتی که کاوشگر شروع به گرفتن داده ها کرد،ما به شبیه سازی هایی این چنینی نیاز داریم تا بتوانیم مشکلات معکوس را نیز حل کنیم.سپس باید بتوانیم جهان مشاهده شده را بررسی کنیم و پارامتر های اساسی کیهان شناسی را تعیین کنیم:ارتباطی دقیق که در حال حاضر تنها میتواند توسط شبیه سازی های عظیمی مشابه آنچه ما تولید کردیم شکل بگیرد. این جنبه ی دیگری از چگونگی عملکرد شبیه سازی و اهمیت آن برای ماموریت کاوشگر است.

محققان امیدوارند که بر اساس داده های بدست آمده از کاوشگر بتوانند اطلاعات جدیدی درباره ی ماهیت ماده ی تاریک بدست آورند همچنین انتظار دارند بتوانند فیزیک جدیدی فراتر از آنچه تا الان به عنوان فیزیک ذرات استاندارد شناخته می شد کشف کنند.یعنی نسخه ی اصلاح شده ی نسبیت عام یا حتی یک ذره ی جدید. همانطور که Stadel توضیح داد، بهترین نتیجه ی این ماموریت درواقع نتیجه ایست که با انتظارات مطابقت نداشته باشد.

او می گوید:"درست است که قطعا روش های اندازه گیری و محاسبات پارامترهای کیهانی اساسی مثل محاسبه ی مقدار ماده ی تاریک و انرژی موجود در جهان دقیق تر خواهند شد اما موضوع جالب تر این است که،بتوان چیزی را که با مدل استاندارد کنونی ماده ی تاریک (LCDM) در تضاد یا حداقل در تنش است ، محاسبه کرد. یکی از مهم ترین پرسش ها این است که چیزی که ما آن را در این مدل انرژی تاریک می نامیم آیا واقعا صورتی از انرژی است یا اینکه همان چیزی است که در نظریه ی نسبیت عام انیشتین به آن اشاره شد.ممکن است این سوال ها بسیار سطحی بنظر برسند ولی این توانایی را دارند که اساس و پایه ی علم فیزیک را به کل تغییر دهند."

Stadel  و همکارانش امیدوارند که بتوانند شبیه سازی های کیهانی ای را ایجاد کنند که در آن هردو ماده و انرژی تاریک در نظر گرفته شود.روزی می رسد که این مفاهیم عجیب و غریب جهان هستی، پایه های علم کیهان شناسی نوین را تشکیل میدهند.علمی که فراتر از فیزیک استاندارد حال حاضر است. با اینحال احتمالا ، اخترفیزیک دان ها در سراسر جهان با نفس هایی که در سینه حبس شده منتظر نتایج اولیه ی ماموریت کاوشگر Euclid هستند.

 Euclid تنها یکی از ماموریت هایی است که در شکار ماده ی تاریک و شناخت نقش آن در شکل گیری جهان ما ،دخالت دارد.  ماموریت هایی همچون آزمایش طیف سنجی مغناطیسی آلفا، (AMS-02) که در ایستگاه فضایی بین المللی انجام می شود، بررسی های (KiDS) و ماموریت های مرکز سرن از دیگر تحقیقاتی هستند که در این راستا انجام میگیرد.

در صورت موفقیت، این آزمایشات بخش هایی از پازل کیهان شناسی که برای دهه های گذشته پنهان مانده بود را تکمیل می کنند.

همه نظرها (۰)

هیچ کس هنوز نظری ارسال نکرده