دانشمندان از دقیق‌ترین تصویر مجازی از کیهان رونمایی کردند
در مرکز شبیه‌سازی (و جهان خودمان) کهکشان راه شیری، و نزدیک‌ترین همسایه پرجرم ما، کهکشان آندرومدا (معروف به M31) قرار دارد. اعتبار: دکتر استوارت مک آلپاین
دانشمندان بزرگترین و دقیق‌ترین نمایش مجازی از کیهان را تا به امروز ارائه کرده‌اند. یک تیم بین‌المللی از محققان به رهبری دانشگاه هلسینکی و شامل اعضایی از دانشگاه دورهام در بریتانیا، از شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای برای بازسازی کل تکامل کیهان، از بیگ بنگ تا کنون، استفاده کردند.
این شبیه‌سازی که SIBELIUS-DARK نام دارد، بخشی از پروژه شبیه‌سازی‌های فراتر از جهان محلی (SIBELIUS) است و بزرگترین و جامع‌ترین شبیه‌سازی تحقق محدود تا به امروز است. این تیم با دقت جهان مجازی را با یک سری بررسی‌های مشاهده‌ای مقایسه کرد تا مکان‌ها و ویژگیهای صحیح را برای تشابه مجازی ساختارهای آشنا بیابد.
مشخص شد که محدوده محلی ما از کیهان ممکن است تا حدودی غیرعادی باشد، زیرا شبیه‌سازی تعداد کمتری از کهکشان‌ها را به طور متوسط پیش‌بینی کرده بود که دلیل آن “تراکم کم” ماده در مقیاس بزرگ محلی است. در حالی که سطح این کم تراکم به عنوان چالشی برای مدل استاندارد کیهان‌شناسی در نظر گرفته نمی‌شود، می‌تواند پیامدهایی برای نحوه تفسیر اطلاعات حاصل از بررسی‌های کهکشانی مشاهده‌شده داشته باشد.
این شبیه‌سازی حجمی تا فاصله 600 میلیون سال نوری از زمین را پوشش می‌دهد و با بیش از 130 بیلیون ذره شبیه‌سازی شده نشان داده می‌شود که به هزاران رایانه نیاز دارد که پشت سر هم در طی چند هفته کار کنند و مقادیر زیادی داده تولید کنند. شبیه‌سازی بر روی ماشین کیهان‌شناسی DiRAC (COSMA) انجام شد که توسط موسسه کیهان‌شناسی محاسباتی در دانشگاه دورهام اداره می شود.
این شبیه‌سازی‌های کیهانی توسعه‌یافته توسط این تیم از معادلات فیزیک مربوطه برای توصیف چگونگی تکامل ماده تاریک و گاز کیهانی در طول عمر جهان استفاده کردند. ماده تاریک شکلی فرضی از ماده است که تصور می‌شود مقدار زیادی از کل ماده در جهان را تشکیل می‌دهد.
اول، ماده تاریک به توده‌های کوچکی ادغام می‌شود که هاله نامیده می‌شوند و گازهای اطراف به صورت گرانشی به سمت این توده‌ها جذب می‌شوند و در نهایت به ستاره‌ها تقسیم می‌شوند و کهکشان‌ها را تشکیل می‌دهند. با گذشت زمان، هاله‌ها به اندازه‌ای بزرگ می‌شوند که میزبان کهکشان‌هایی مانند کهکشان راه شیری خودمان باشند.
در طول 20 سال گذشته، کیهان‌شناسان یک مدل استاندارد از کیهان‌شناسی ایجاد کرده‌اند – مدل ماده تاریک سرد – که می‌تواند بسیاری از داده‌های نجومی مشاهده شده، از جمله خواص گرمای باقی مانده از انفجار بزرگ و تعداد و توزیع فضایی کهکشان‌های مشاهده شده امروزی را توضیح دهد.
هنگام شبیه‌سازی یک جهان ماده تاریک سرد مجازی، اکثر کیهان‌شناسان از یک پچ معمولی یا تصادفی پیروی می‌کنند که شبیه به جهان مشاهده‌شده خودمان اما فقط از نظر آماری می‌باشد.
شبیه‌سازی‌های انجام شده در این مطالعه متفاوت است. با استفاده از الگوریتم‌های مولد پیشرفته (مدل‌هایی که چگونه داده‌ها برای دسته‌بندی سیگنال تولید می‌شوند)، شبیه‌سازی‌ها برای بازتولید تکه‌های خاص جهان ما شرطی می‌شوند، بنابراین شامل ساختارهای امروزی در مجاورت کهکشان خودمان می‌شوند که اخترشناسان دهه‌ها مشاهده کرده‌اند.
این بدان معناست که ساختارهای آشنا در جهان محلی ما، مانند خوشه‌های کهکشانی دوشیزه، کما و برساووش، دیوار بزرگ و فضای خالی محلی – زیستگاه کیهانی ما – در شبیه‌سازی بازتولید می‌شوند. در مرکز شبیه‌سازی شاید مهم‌ترین ساختار، یک جفت کهکشان، همتایان مجازی راه شیری ما و همسایه عظیم ما، کهکشان آندرومدا، قرار دارد.
پروفسور کارلوس فرنک، استاد اوگدن فیزیک بنیادی در موسسه کیهان‌شناسی محاسباتی در دانشگاه دورهام، گفت: “بسیار هیجان‌انگیز است که ببینیم ساختارهای آشنایی که می‌دانیم در اطراف ما وجود دارند، از محاسبات کامپیوتری ظاهر می‌شوند. شبیه‌سازی‌ها به سادگی عواقب آن را آشکار می‌کنند. قوانین فیزیک که بر ماده تاریک و گاز کیهانی در طول 13.7 بیلیون سالی که جهان ما وجود داشته است که ما در مسیر درستی برای درک تکامل کل جهان هستیم.”
دکتر ماتیو شالر از دانشگاه لیدن افزود: “این پروژه واقعاً راهگشا است. این شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که مدل استاندارد ماده تاریک سرد می‌تواند تمام کهکشان‌هایی را تولید کند که در همسایگی خود می‌بینیم. این پروژه آزمایش بسیار مهمی برای موفقیت این مدل است. “
دکتر استوارت مک آلپین، دانشجوی سابق دورهم دکترا، دکتر استوارت مک آلپین، محقق فوق دکتری در دانشگاه هلسینکی، گفت: “با شبیه‌سازی جهان خود، همانطور که ما آن را می‌بینیم، یک قدم به درک ماهیت کیهان خود نزدیکتر شده‌ایم. این پروژه پل مهمی را بین دهه‌ها نظریه و مشاهدات نجومی ما ایجاد می‌کند.”
تیم تحقیقاتی بین‌المللی شبیه‌سازی ایجاد شده را با امید به ارائه آزمایش‌های دقیق‌تر از مدل استاندارد کیهان‌شناسی بیشتر تجزیه و تحلیل خواهد کرد.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
Scientists unveil most accurate virtual representation of the universe
by Royal Astronomical Society FEBRUARY 10, 2022
https://phys.org/news/2022-02-scientists-unveil-accurate-virtual-representation.html