خلق نسخه مجازی جهان در مقیاسی بزرگ درون یک ابر رایانه

این روزها دانشمندان علاوه بر مطالعه‌ی جهان واقعی، بر مدل‌های شبیه‌سازی نیز برای درک بهتر گذشته و آینده‌ی پیش روی جهان تکیه می‌کنند. حال گروهی از دانشمندان اعلام کرده‌اند که جهان را در بزرگ‌ترین مقیاس ممکن به‌صورت شبیه‌سازی شده خلق کرده‌اند. دانشمندان برای این کار، از یک ابر رایانه بسیار قدرتمند استفاده کرده‌اند تا بتوانند ۲۵ میلیون کهکشان را به‌صورت مجازی مدل‌سازی کنند و آن‌ها را به کمک محاسباتی که روی ۲ تریلیون ذره دیجیتال انجام شده است، در کنار یکدیگر قرار داده‌اند. حجم داده‌هایی که این شبیه‌سازی ایجاد کرده است، در ذهن نمی‌گنجد.

این شبیه‌سازی در واقع توسط اختر فیزیک‌دانان دانشگاه زوریخ در سوئیس توسعه یافته و قرار است که برای سنجش آزمایش‌هایی که توسط تجهیزات ماهواره‌ی Eucild انجام می‌شوند، مورد استفاده قرار گیرد. ماهواره Eucild در سال ۲۰۲۰ به فضا پرتاب می‌شود و هدف از پرتاب آن، بررسی رمز و رازهای ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک موجود در جهان است. رومَن تِسیِر، یکی از اعضای گروه توسعه‌دهنده این شبیه‌ساز، می‌گوید:

ماهیت انرژی تاریک، یکی از اساسی‌ترین معماهای حل‌نشده در علم مدرن به شمار می‌رود.

ماهواره Eucild نمی‌تواند ماده‌ی تاریک را به‌طور مستقیم مشاهده کند، زیرا ماده‌ی تاریک به‌شدت گریزان است؛ اما این ماهواره می‌تواند تأثیرات ماده‌ی تاریک بر کل جهان را مشاهده کند و با محاسباتی که در این نسخه شبیه‌سازی شده انجام می‌شوند، به ماهواره تفهیم می‌کنند که دقیقاً به دنبال چه چیزهایی باشد. پژوهشگرانی که در توسعه این شبیه‌ساز نقش داشته‌اند، می‌گویند:

هر چه پیش‌بینی‌های نظری دقیق‌تر باشند، باعث می‌شوند که شبیه‌سازهای عالم در مقیاس‌های بسیار بزرگ، بتوانند در آینده رموز مختلف عالم تاریک را آشکار کنند.

برای دستیابی به بهترین دقت ممکن در شبیه‌سازی، دانشمندان به مدت ۳ سال روی توسعه‌ی یک مدل جدید که با نام PKDGRAV3 شناخته می‌شود کار کرده‌اند. این مدل جدید به‌گونه‌ای طراحی شده است که بتواند به بهترین شکل ممکن روی معماری جدیدترین ابر رایانه‌ها اجرا شود. به لطف دقت بالایی که در بهینه‌سازی الگوریتم‌ها صورت گرفته است، گروه توسعه‌دهنده توانسته زمان لازم برای بارگذاری و مشاهده‌ی تاریخ ۱۳.۸ میلیارد ساله‌ی جهان (از زمان مه‌بانگ) را به شکل چشمگیری کاهش دهد. وقتی که دانشمندان کدهای این شبیه‌ساز را روی ابر رایانهPiz Daint که در مرکز ملی ابر رایانه‌ای سوئیس واقع شده است اجرا کردند، تمام کدها و شبیه‌ساز تاریخ ۱۳.۸ میلیارد ساله جهان در مدت‌زمان ۸۰ ساعت اجرا و آماده مشاهده شدند.

محاسباتی که این شبیه‌سازی اجرا می‌کند، چگونگی تکامل ماده‌ی تاریک تحت گرانش خود و تشکیل هاله‌ی ماده تاریک را تجزیه و تحلیل می‌کند. ماهواره Euclid در دهه‌ی آینده رسماً کار خود را در فضا آغاز می‌کند و نوری را که از میلیاردها کهکشان تابش می‌شود، ثبت خواهد کرد؛ اما آنچه این ماهواره واقعاً به دنبال آن است، بررسی ایجاد تغییرات کوچک در این نورها توسط ماده‌ی تاریک خواهد بود.

با توجه به مشاهداتی که از چگونگی انبساط عالم صورت گرفته است، دانشمندان بر این باورند که ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک چیزی در حدود ۹۵ درصد از عالم را در بر گرفته‌اند و ما نمی‌توانیم آن‌ها را مشاهده کنیم و چیزی که می‌بینیم در واقع ۵ درصد از ماده‌ی تشکیل‌دهنده‌ی جهان است. وقتی که ماهواره Euclid‌ به فضا پرتاب شود، می‌تواند نگاهی نزدیک‌تر به ماده‌ی تاریک داشته باشد و این شبیه‌ساز جدید نیز به ماهواره کمک می‌کند تا بتواند از آنچه اندازه‌گیری می‌کند درک بهتری به دست آورد.

یواخیم اِشتادل، یکی از اعضای گروه توسعه‌دهنده شبیه‌ساز، می‌گوید:

ماهواره Euclid می‌تواند یک نقشه توموگرافی را از جهان ایجاد کند و در بیش از ۱۰ میلیارد سال تاریخ تکامل کیهان به عقب بازگردد.

امروزه به لطف پیشرفت‌های بسیار خوبی که در مشاهده‌ی اعماق فضا در فراسوهای عالم داشته‌ایم و سرعتی که در پردازش داده‌های شبیه‌سازی عالم و بازگشت به گذشته آن به دست آورده‌ایم، بیش از هر زمان دیگری به شکار ماده تاریک نزدیک شده‌ایم.

نتایج این پژوهش بسیار مهم، در نشریه‌ی Computational Astrophysics and Cosmology منتشر شده‌ است.