آشنایی با یکی از بزرگ‌ترین مدل‌های ساخته شده از جهان هستی تا به امروز

کهکشان‌ها در اطراف خود دارای هاله‌هایی هستند که ممکن است از مواد معمولی و یا ماده‌ی تاریک ساخته شده باشند. تصویر فوق زیرسازه‌ای از درون یک هاله در شبیه‌سازی Q زنجیره‌ای (Q Continuum simulation) نشان می‌دهد که زیرهاله‌ها (subhalo) در این تصویر با رنگ‌های مجزا نشان داده شده‌اند.

پژوهشگران در حال کندوکاو در میان انبوهی از داده‌های به دست آمده از یک شبیه‌سازی هستند و گفته می‌شود این شبیه‌سازی یکی از بزرگ‌ترین فرایندهای شبیه‌سازی کیهانی انجام شده تا به امروز است. این پژوهش توسط گروهی از دانشمندان دپارتمان انرژی آزمایشگاه ملی آرگون (DEO) به انجام رسیده است.

این شبیه‌سازی بر روی سوپرکامپیوتر تایتان در آزمایشگاه اوک ریج (Oak Ridge) از DEO پیاده شده و توانسته است دگرگونی پیوسته‌ی کیهان را از تقریبا ۵۰ میلیون سال پس از رویداد بیگ‌بنگ تا به امروز به شکل مدل ارائه کند. مدل ساخته شده، جهان را از دوره‌ی نوزادی تا به امروز که به عنوان دوره‌ی بزرگسالیش پنداشته می‌شود در طی زمانی به اندازه‌ی ۱۳.۸ میلیارد سال نشان می‌دهد. مواد موجود در کیهان به هم فشرده شده و کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیاره‌ها را ساخته‌اند؛ اما ما هنوز به درستی نمی‌دانیم که این پدیده دقیقا چگونه رخ داده است.

این گونه شبیه‌سازی‌ها دانشمندان را در فهمیدن هر چه بیشتر مفهوم انرژی تاریک یاری می‌کنند. انرژی تاریک گونه‌ای از انرژی است که نرخ گسترش کیهان را تحت تاثیر می‌گذارد که این نرخ گسترش شامل پراکندگی کهکشان‌هایی است که از ماده‌ی معمولی و همچنین ماده‌ی تاریک ساخته شده‌اند. ماده‌ی تاریک ماده‌ی رازالودی است که هنوز ابزار دقیقی برای سنجش و کاوش دقیق آن در دست نیست. کاوش‌های دقیق آسمانی با تلسکوپ‌های توانمند همانند پروژه‌ی نقشه‌‌برداری آسمانی اسلوان و همچنین یک پروژه‌ی تازه و ریزبینانه در زمینه‌ی کاوش انرژی تاریک، به دانشمندان کمک می‌کند تا درباره‌ی جایگاه دقیق ستاره‌ها و کهکشان‌ها در هنگام تابش نخستین پرتوهای نوری، دانش بیشتری به دست آورند.

به گفته‌ی کاترین هیتمن (Katrin Heitmann) سرپرست پژوهش، بررسی‌های به دست آمده از تابش‌های زمینه‌ی کیهانی درباره‌ی نورهایی که ۳۰۰ هزار سال پس از پیدایش کیهان تابیده شده‌اند، به ما نشان می‌دهد که کیهان در آغاز پیدایش، بسیار یکنواخت بوده و پس از آن مواد رفته رفته به سوی هم فشرده‌تر شده‌اند. این شبیه‌سازی شکاف همیشگی در مورد چگونگی دگرگونی پیوسته‌ی کیهان را به خوبی پر می‌کند. هیتمن در این باره گفته است:

گرانش روی ماده‌ی تاریک برهم‌کنش دارد و باعث فشرده‌تر شدن بیشتر و بیشتر مواد شده و در ادامه‌ی همین برهم‌فشردگی‌ها کهکشان‌ها ساخته می‌شوند.
شبیه‌سازی انجام شده که با نام زنجیره‌ی Q یا Q Continuum شناخته می‌شود نیم تریلیون (یک تریلیون معادل هزار میلیارد) مکعب هر کدام با وجه‌هایی به طول ۱۰۰ هزار کیلومتر را در بر دارد. به همین دلیل است که این پروژه را یکی از بزرگ‌ترین شبیه‌سازی‌های کیهانی انجام شده تا به امروز با چنین توان تفکیکی می‌شناسند. انجام این فرایند بیش از ۹۰ درصد حجم کار سوپرکامپیوتر را در بر گرفته است. برای اینکه به بزرگی این کار پی ببریم باید بدانیم که تنها یک درصد از کارهای انجام شده با سوپرکامپیوتر مایرا (Miara) در آرگون بیش از نود درصد حجم کامپیوتر را می‌گیرند. برای انجام این پروژه کارکنان دو ساختمان محاسبات هر دو آزمایشگاه آرگون و اوک‌ریج همکاری داشته‌اند تا بتوانند این شبیه‌سازی را روی سوپرکامپیوتر تایتان به انجام برسانند. هیتمن درباره‌ی ارزش این شبیه‌سازی می‌گوید:

این یک شبیه‌سازی بسیار پرهزینه و ارزشمند است. ما می‌توانیم این داده‌ها را برای کاوش درباره چرایی فشردگی کهکشان‌ها و همچنین مفاهیم پایه‌ای فیزیک درباره‌ی شکل‌گیری این سازه‌ها به کار ببریم. واکاوی دو و نیم پتابایت داده‌ی به دست آمده از این شبیه‌سازی آغاز شده است و برای چندین سال آینده ادامه خواهد داشت.
دانشمندان می‌توانند درباره‌ی پدیده‌های فیزیک نجومی همچون همگرایی گرانشی قوی، همگرایی گرانشی ضعیف، همگرایی گرانشی خوشه‌ای و همگرایی بین کهکشانی دانش بسیاری به دست آورند. کدهای اجرای (run) این شبیه‌سازی که با نام کد کیهانی تسریع شده با سخت‌افزار (Hardware/Hubrid Accerlerated Cosmology Code) (HACC) شناخته می‌شود، برای نخستین بار در سال ۲۰۰۸ نوشته شد. در آن زمان سوپرکامپیوترهای علمی از محدوده‌ی پتافلاپ (به تعداد یک کوادریلیون پردازش در ثانیه گفته می‌شود و یک کوادریلیون برابر با ده به توان پانزده است) گذشته بودند. HACC با نرمش و انعطاف‌پذیری بسیاری پرداخته شده است که همین انعطاف‌پذیری به ما این توانایی را می‌دهد تا روی سوپرکامپیوترهای گوناگون با ساختارهای گوناگون آن را اجرا کنیم.

نحوه کنار آمدن با خواب‌آلودگی بی‌اندازه نقشه ای سه بعدی از ۱.۲ میلیون کهکشان در جهان ما