منذ زمن سحيق ، سعى الفلاسفة والعلماء إلى تحديد كيف بدأ الوجود. مع ولادة علم الفلك الحديث ، استمر هذا التقليد وأدى إلى المجال المعروف باسم علم الكونيات. وبمساعدة الحوسبة الفائقة ، يستطيع العلماء إجراء عمليات محاكاة تظهر كيف تشكلت النجوم والمجرات الأولى في الكون وتطورت على مدى مليارات السنين.
حتى وقت قريب ، كانت الدراسة الأكثر شمولاً وكاملة هي محاكاة "Illustrus" ، التي نظرت في عملية تكوين المجرات على مدى 13 مليار سنة الماضية. سعيًا لتحطيم الرقم القياسي الخاص بهم ، بدأ نفس الفريق مؤخرًا في إجراء محاكاة تعرف باسم "Illustris أو الجيل التالي" أو "IllustrisTNG". تم إصدار الجولة الأولى من هذه النتائج مؤخرًا ، ومن المتوقع أن يتبعها عدد آخر.
ظهرت هذه النتائج في ثلاث مقالات نشرت مؤخرا في الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية. يتكون فريق Illustris من باحثين من معهد هايدلبرغ للدراسات النظرية ، ومعاهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية وعلم الفلك ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وجامعة هارفارد ، ومركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية في نيويورك.
باستخدام الكمبيوتر العملاق Hazel Hen في مركز الحوسبة عالية الأداء شتوتغارت (HLRS) - وهو واحد من ثلاثة مرافق عالمية للحوسبة الفائقة الألمانية التي تتألف من مركز Gauss للحوسبة العملاقة (GCS) - أجرى الفريق محاكاة ستساعد في التحقق والتوسع حول المعرفة التجريبية الموجودة حول المراحل الأولى للكون - أي ما حدث منذ 300000 سنة بعد الانفجار العظيم حتى يومنا هذا.
لإنشاء هذه المحاكاة ، جمع الفريق المعادلات (مثل نظرية النسبية العامة) والبيانات من الملاحظات الحديثة إلى مكعب حسابي ضخم يمثل مقطعًا عرضيًا كبيرًا من الكون. بالنسبة لبعض العمليات ، مثل تكوين النجوم ونمو الثقوب السوداء ، اضطر الباحثون إلى الاعتماد على الافتراضات القائمة على الملاحظات. ثم استخدموا نماذج عددية لتحريك هذا الكون المحاكي في الحركة.
مقارنة بمحاكاة سابقة ، يتألف IllustrisTNG من 3 أكوان مختلفة بثلاث درجات دقة مختلفة - يبلغ حجم أكبرها مليار سنة ضوئية (300 ميجابكسل) عبر. بالإضافة إلى ذلك ، تضمن فريق البحث محاسبة أكثر دقة للمجالات المغناطيسية ، وبالتالي تحسين الدقة. في المجموع ، استخدمت المحاكاة 24000 نواة على الكمبيوتر العملاق Hazel Hen لما مجموعه 35 مليون ساعة أساسية.
كما شرح الأستاذ الدكتور فولكر سبرينجل ، الأستاذ والباحث في معهد هايدلبرغ للدراسات النظرية والباحث الرئيسي في المشروع ، في بيان صحفي لمركز غاوس:
"المجالات المغناطيسية مثيرة للاهتمام لمجموعة متنوعة من الأسباب. يمكن أن يكون الضغط المغناطيسي الذي يمارس على الغاز الكوني مساوياً للضغط الحراري (درجة الحرارة) في بعض الأحيان ، مما يعني أنه إذا أهملت ذلك ، فسوف تفوتك هذه التأثيرات وتضر بنتائجك في نهاية المطاف. "
كان الاختلاف الرئيسي الآخر هو إدراج فيزياء الثقب الأسود المحدثة بناءً على حملات الملاحظة الأخيرة. يتضمن هذا دليلًا يوضح العلاقة بين الثقوب السوداء الهائلة (SMBHs) وتطور المجرة. في جوهرها ، من المعروف أن SMBHs ترسل كمية هائلة من الطاقة في شكل إشعاعات ونفاثات جزيئية ، والتي يمكن أن يكون لها تأثير كبير على تكوين النجوم في المجرة.
في حين كان الباحثون على دراية بالتأكيد بهذه العملية خلال المحاكاة الأولى ، إلا أنهم لم يأخذوا في الاعتبار كيف يمكنها إيقاف تكوين النجوم تمامًا. من خلال تضمين البيانات المحدثة في كل من المجالات المغناطيسية وفيزياء الثقب الأسود في المحاكاة ، رأى الفريق ارتباطًا أكبر بين البيانات والملاحظات. لذلك فهم أكثر ثقة بالنتائج ويعتقدون أنها تمثل المحاكاة الأكثر دقة حتى الآن.
ولكن كما أوضح الدكتور ديلان نيلسون - الفيزيائي بمعهد ماكس بلانك لعلم الفلك وعضو llustricTNG - من المرجح أن تكون المحاكاة المستقبلية أكثر دقة ، بافتراض استمرار التقدم في أجهزة الكمبيوتر العملاقة:
"ستسمح لنا زيادة الذاكرة وموارد المعالجة في أنظمة الجيل التالي بمحاكاة أحجام كبيرة من الكون بدقة أعلى. تُعد الكميات الكبيرة مهمة لعلم الكونيات ، وفهم البنية الواسعة النطاق للكون ، وإجراء تنبؤات قوية للجيل القادم من مشاريع المراقبة الكبيرة. الدقة العالية مهمة لتحسين نماذجنا الفيزيائية للعمليات الجارية داخل المجرات الفردية في محاكاة لدينا ".
تم إجراء هذه المحاكاة الأخيرة أيضًا بفضل الدعم المكثف الذي قدمه موظفو GCS ، الذين ساعدوا فريق البحث في الأمور المتعلقة بتشفيرهم. كان ذلك أيضًا نتيجة جهد تعاوني هائل جمع الباحثين من جميع أنحاء العالم وأقرنهم بالموارد التي يحتاجون إليها. أخيرًا وليس آخرًا ، يوضح كيف أن زيادة التعاون بين البحث التطبيقي والبحث النظري يؤدي إلى نتائج أفضل.
واستشرافا للمستقبل ، يأمل الفريق في أن تثبت نتائج هذه المحاكاة الأخيرة أنها أكثر فائدة من سابقتها. اكتسب إصدار بيانات Illustris الأصلي أكثر من 2000 مستخدم مسجل وأسفر عن نشر 130 دراسة علمية. بالنظر إلى أن هذا التطبيق أكثر دقة وحداثة ، يتوقع الفريق أنه سيجد المزيد من المستخدمين وينتج عنه المزيد من الأبحاث الرائدة.
من تعرف؟ ربما في يوم من الأيام ، قد ننشئ محاكاة تلتقط تكوين وتطور كوننا بدقة كاملة. في هذه الأثناء ، تأكد من الاستمتاع بهذا الفيديو لمحاكاة الرسوم التوضيحية الأولى ، من باب المجاملة لعضو الفريق وفيزيائي MIT Mark Vogelsberger:
