دراسة في مجلة Nature بمشاركة باحث إسرائيلي تكشف عن أول محاكاة تفصيلية للكون* استغرقت ثلاثة أشهر من التشغيل على حاسوبين عملاقين

يقول الدكتور شاي جانيل، طالب ما بعد الدكتوراه في معهد النظرية والحساب بجامعة هارفارد ومعهد هارفارد سميثسونيان، في مقابلة مع موقع العلوم إن المحاكاة تحتوي على الشروط الأولية والقوانين الأساسية للطبيعة، بما في ذلك عملية تكوين النجوم والمادة المظلمة والطاقة المظلمة

ابتكر العلماء أول نموذج افتراضي واقعي للكون باستخدام محاكاة حاسوبية تُعرف باسم Illustris. يستطيع Illustris إعادة بناء 13 مليار سنة من التطور الكوني في مكعب يبلغ حجمه 350 مليون سنة ضوئية في كل اتجاه وبدقة غير مسبوقة.

وقال الباحث الرئيسي مارك فوجيلسبرجر من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية، الذي أجرى الدراسة: "حتى الآن، لم تتمكن أي محاكاة واحدة من إعادة إنتاج الكون على نطاق واسع وعلى نطاق صغير في نفس الوقت". العمل بمساعدة باحثين من عدة معاهد، بما في ذلك معهد هايدلبرغ للدراسات النظرية في ألمانيا. تم نشر الدراسة اليوم 8 مايو في مجلة الطبيعة.

وفي مقابلة مع موقع هيدان، يوضح الدكتور شاي جانيل، المؤلف المشارك للمقال، وطالب ما بعد الدكتوراه في معهد النظرية والحساب بجامعة هارفارد ومعهد هارفارد سميثسونيان، أن المحاولات السابقة لمحاكاة الكون كانت قوبلت بنقص في القدرة الحاسوبية وتعقيد الفيزياء. ونتيجة لذلك، كانت هذه البرامج إما محدودة الدقة أو اضطرت إلى التركيز على قطاع صغير من الكون. وقد كافحت عمليات المحاكاة السابقة أيضًا لنمذجة ردود الفعل المعقدة بين تكوين النجوم وانفجارات المستعرات الأعظم والثقوب السوداء الضخمة في مراكز المجرات.

جينيل، الذي ولد ونشأ في هرتسليا، خدم في الوحدة 8200. في شهادته الأولى درس دورة مشتركة في الفيزياء والهندسة الكهربائية في جامعة تل أبيب: "عندما كنت طفلاً كنت مهتمًا بالفيزياء وعلم الفلك، وفي الجيش أصبحت لقد أصبح اهتمامي بعلوم الكمبيوتر بمثابة اتصال طبيعي وممتع جدًا بالنسبة لي." هو يوضح. ثم واصل جينيل طريقه المباشر إلى طالب الدكتوراه في معهد ماكس بلانك بالقرب من ميونيخ في ألمانيا، وبعد حصوله على الدكتوراه انتقل إلى منصب ما بعد الدكتوراه في معهد النظريات والحسابات بجامعة هارفارد تحت قيادة البروفيسور آفي ليب.

"تستخدم محاكاة Illustris برمجة متطورة لحوالي 100 سطر من التعليمات البرمجية لإنشاء تطور الكون بجودة عالية. يتضمن النموذج إشارة إلى كل من المادة العادية والمادة المظلمة باستخدام 12 مليار "بكسل" ثلاثي الأبعاد، أو عناصر الدقة.

أمضى الفريق خمس سنوات في تطوير برنامج Illustris. تطلبت الحسابات الفعلية ثلاثة أشهر من وقت التشغيل باستخدام 8,000 معالج متزامن على جهازي كمبيوتر عملاقين كبيرين في أوروبا. إذا كانت هذه معالجات كمبيوتر شخصية عادية، فسيستغرق الأمر ألفي عام لإكمال الحساب.

بدأت المحاكاة الحاسوبية بعد نحو 12 مليون سنة من الانفجار الكبير، ولا تزال مستمرة حتى يومنا هذا. أحصى علماء الفلك أكثر من 41 ألف مجرة ​​في مكعب المساحة الموصى بها. والأهم من ذلك، أن Illustris أنتج مزيجًا قريبًا جدًا من الواقع من المجرات الحلزونية مثل مجرة ​​درب التبانة والمجرات الإهليلجية مثل كرة القدم الأمريكية. كما أنها خلقت هياكل واسعة النطاق مثل مجموعات المجرات وكذلك فقاعات وفراغات الشبكة الكونية. وعلى نطاق صغير، أعاد أيضًا بناء كيمياء المجرات الفردية.

المتوسطة: المجرات التي تكونت من تلقاء نفسها
يوضح الدكتور جانيل: "لقد أدرجنا في النموذج الظروف الأولية التي سادت في الكون المبكر، واخترنا عمر 12 مليون سنة لأن هذه منطقة يمكننا مراقبتها باستخدام الأقمار الصناعية مثل القمر الصناعي بلانك". الإشعاع من تلك الفترة هو إشعاع منتظم (باستثناء الاضطرابات الصغيرة التي تحدثها موجات الجاذبية - راجع مقال نشرناه في موقع العلوم عقب اكتشافات موجات الجاذبية ولكن تأثيرها كان في تضخم الكون كسرا من الثانية بعد الانفجار الأعظم، ولكن في عمر 12 مليونًا، كان الكون المتضخم بالفعل متجانسًا AB.). وكان الكون آنذاك متجانسا ويتكون من ذرات الهيدروجين والهيليوم فقط. في ذلك الوقت لم تكن هناك نجوم بعد. يمثل كود الكمبيوتر الخاص بنا قوانين الفيزياء، وخاصة قوانين الجاذبية، وحقيقة الكون المتوسع (الطاقة المظلمة، وفيما بعد، AB) والديناميكا المائية - تدفق الغاز الذي يملأ الكون."

"بالإضافة إلى ذلك، قمنا بنمذجة عملية تكوين النجوم والثقوب السوداء من الغاز وأخذنا في الاعتبار أيضًا التأثير المتبادل لتلك النجوم والثقوب السوداء على هذا الغاز. بعد وقت قصير من تشكل النجم أو الثقب الأسود، يبدأ بإطلاق الطاقة والإشعاع في البيئة، وتؤثر هذه الطاقة على تكوين الأجيال اللاحقة من النجوم والثقوب السوداء، وهذه عملية ذاتية التنظيم. إلا أن هذه عملية معقدة للغاية وبالتالي لا يمكننا حل المعادلات المتعلقة بها باستخدام صفحة وقلم رصاص، لذلك يجب علينا استخدام أجهزة كمبيوتر قوية جدًا تقوم بالكثير من العمليات الحسابية وتتبع هذه العمليات في الوقت المناسب.

نظرًا لأن الضوء ينتقل بسرعة ثابتة، فكلما نظر علماء الفلك أبعد، كلما رجعوا إلى الوراء في الزمن. إن المجرة التي تبعد عنا مليار سنة ضوئية تبدو وكأنها كانت موجودة قبل مليار سنة، ويمكن للتلسكوبات مثل هابل أن تراقب الكون المبكر من خلال النظر إلى مسافات أكبر. ومع ذلك، لا يستطيع علماء الفلك استخدام هابل أو أي تلسكوب آخر، مهما كانت قوته، لمتابعة تطور مجرة ​​واحدة مع مرور الوقت. "Illustris يشبه آلة الزمن. يمكننا المضي قدما والرجوع في الوقت المناسب. يقول جانيل: "يمكننا إيقاف المحاكاة والتركيز على مجرة ​​واحدة أو مجموعة من المجرات ورؤية ما يحدث هناك".

"بعد وضع الشروط الأولية، ركضنا الزمن الكوني إلى الأمام وتابعنا بدايات تطور الغاز والنجوم والثقوب السوداء ورأيناها معجزة، فقد تشكلت المجرات بشكل طبيعي في هذا الكون القسري دون أن نبرمجها. لقد تم إنشاؤها من تلقاء نفسها فقط بفضل الظروف الأولية وقوانين الفيزياء." يشرح جينيل.

وردا على سؤال موقع العلوم ما الذي يميز هذه المحاكاة مقارنة بعمليات المحاكاة السابقة؟

المحاكاة التي ننشرها اليوم في Nature لها ابتكاران رئيسيان: الابتكار الأول هو إدراج العديد من العمليات المتعلقة بتكوين النجوم والثقوب السوداء التي لم تتضمنها عمليات المحاكاة السابقة. سمح هذا للمحاكاة بتطوير عدد كبير من المجرات يصل إلى عشرات الآلاف. وقد بينا أن هذه المجرات تشبه المجرات الحقيقية التي يراها علماء آخرون بالتلسكوب وهذا يرجع إلى الدقة في نمذجة قوانين الفيزياء.
الشيء الثاني المميز في المحاكاة هو النطاق. هذه هي أكبر محاكاة للكون تم فهمها على الإطلاق. وتسمح لنا ميزة الحجم بمراقبة حجم كبير من الكون بشكل مستمر، وفحص البنية الداخلية لكل مجرة ​​على حدة. يتيح لنا العدد الكبير من المجرات إجراء مقارنة إحصائية لعدد المجرات التي نراها مع تلك الموجودة في الواقع ومقارنة ما إذا كانت المحاكاة تحاكي الواقع بالفعل. لفهم ما إذا كانت نماذجنا صحيحة، نحتاج إلى عدد كبير من المجرات المحددة.

العالم: كيف نعرف ماذا حدث للنجوم التي نراها اليوم؟ ففي نهاية المطاف، في الواقع، لا يمكننا رؤية الكون بأكمله في حالته الحالية، ولكن فقط البيئة القريبة منا، وكلما ابتعدنا أكثر، نرى الكون أيضًا في وقت مختلف؟

جانيل: "في المحاكاة نتابع تاريخ الكون بأكمله. نقارن كل فترة في المحاكاة لدينا بالفترة المقابلة لها كما يتضح من الملاحظات. في التلسكوبات نرى أجسامًا في مراحل مختلفة من التطور وفي أوقات مختلفة، على سبيل المثال المجرات في أعمار مختلفة من الكون، لكننا لا نستطيع متابعة تطور نفس الكائن مع مرور الوقت. إن عمل المراقبين هو نوع من العمل البوليسي الذي يُطلب منهم خلاله فك رموز كيفية تطور نوع واحد من المجرات إلى نوع آخر من المجرات، لكن ليس من الممكن رؤية كيف يحدث ذلك. "إن محاكاة مثل تلك التي لدينا تجعل الحياة أسهل لأننا نستطيع تتبع مجرة ​​معينة ونرى كيف تتغير مع مرور الوقت. وهذا يمكن أن يساعد المراقبين على التوصل إلى نفس الاستنتاجات للكون الأصلي."

كيف تعاملت مع المادة المظلمة والطاقة المظلمة؟

نحن نفترض في محاكاتنا أبسط نموذج للطاقة المظلمة والمادة المظلمة. فيما يتعلق بالطاقة المظلمة، فإننا نفترض أنها موزعة بشكل منتظم في جميع أنحاء الكون وتأثيرها الوحيد هو تحديد معدل توسع الكون. تتصرف المادة المظلمة بشكل مختلف، لذلك قمنا بتطبيقها كعنصر ديناميكي داخل المحاكاة. وبما أن المادة المظلمة تتفاعل مع قوة الجاذبية، فإن توزيعها في الفضاء يختلف - فهناك مناطق بها الكثير من المادة المظلمة، ومناطق أخرى تكاد تكون فارغة تماما. نحن نتتبع المادة المظلمة في المحاكاة على افتراض أنها تستجيب فقط للجاذبية ولا توجد قوة أخرى. وحقيقة أننا عندما نستخدم هذه الافتراضات نحصل على توافق جيد مع الملاحظات تعزز احتمالية أن يصف النموذج الطبيعة بشكل صحيح. وهذا ليس دليلاً لأنه يمكن دائمًا ظهور نموذج آخر يكون قادرًا أيضًا على تفسير نفس الملاحظات، ولكن في الوقت الحالي لا يوجد مثل هذا النموذج وقد أظهرنا لأول مرة أنه في ظل الافتراضات التي وصفتها، من الممكن الحصول على لا فقط توزيع المجرات على مقاييس كبيرة جدًا - (الويب الكوني) - بمقياس مئات الملايين من السنين الضوئية، ولكنها تظهر أيضًا أن النموذج يمكنه إعادة إنتاج خصائص المجرات الفردية على نطاق آلاف السنين الضوئية - وهو عدد كبير جدًا مقياس أصغر وتفصيلا."

هل اندمجت المجرات معك كما في كثير من الأرصاد الفلكية؟

في الواقع نرى اندماج المجرات. وفي أحد الأفلام التي نشرناها تشاهدون مثالاً على نشوء مجرة ​​إهليلجية ضخمة جداً نتيجة اندماج ست مجرات منفصلة. لدينا العديد من الحالات في هذه المحاكاة، ويحاول أحد الطلاب قياس معدل اندماج المجرات كدالة للزمن الكوني.

يتواجد جانيل حاليًا في إسرائيل في زيارة عمل، لأنه يجري بحثًا مشتركًا مع باحثين إسرائيليين - البروفيسور اميل ستيرنبرغ من جامعة تل أبيب (الذي كان جانيل مساعدًا للباحث خلال درجة البكالوريوس)، والبروفيسور أفيشاي ديكل من الجامعة العبرية. جامعة.

يمكنك في الفيديو رؤية بعض الأمثلة على النتائج في طبقات مختلفة من المحاكاة (مثل كثافة المادة المظلمة، أو درجة حرارة الغاز أو الكيمياء). يمكن العثور على مقاطع فيديو قصيرة إضافية (بما في ذلك الفيديو الذي يصف اندماج المجرات) والصور على موقع المحاكاة.