۳۰۰ میلیارد کهکشان گیتی با استفاده از ۳۰ هزار پردازنده شبیه‌سازی شد

کهکشان‌ها چگونه شکل گرفته‌اند؟ ماده تاریک و ماده معمولی چه نقشی در تکامل گیتی بازی‌ کرده‌اند و خوشه‌های کهکشانی چطور به شکل امروزی درآمده‌اند؟ این‌ پرسش‌ها از جمله پرسش‌هایی است که از دهه‌ها پیش تاکنون ذهن کیهان‌شناسان را با خود درگیر کرده است و اینک دانشمندان با راه‌اندازی یک شبیه‌سازی عظیم رایانه‌ای از کل گیتی، تلاش کرده‌اند به آن بپردازند.

پروژه مشهور به فلامینگو که نام آن از ابتدای حروف شبیه‌سازی ساختار‌های هیدرودینامیکی کیهان با رصدهای نجومی و نقشه‌بردار‌ی‌ها از آسمان گرفته شده است، به کمک یک ابررایانه در مجموعه دیراک در بریتانیا، تکامل همه اجزای شناخته‌‌شده کیهان را تحلیل و بررسی کرده است.

در این شبیه‌سازی عظیم، هم ماده عادی یعنی ستارگان و کهکشان‌ها و همه چیزهای ملموس بررسی شده است و هم دو ماهیت مرموز در گیتی یعنی ماده تاریک و انرژی تاریک، دو پدیده اسرارآمیز در عالم که اولی عامل ایجاد گرانشی عجیب در کهکشان‌ها است و دومی نیز سبب می‌شود انبساط گیتی شتاب‌دار شود.

دانشمندان در این آزمایش، ۳۰۰ میلیارد کهکشان را در حجم مکعبی از فضا به ابعاد ۱۰ میلیارد سال نوری شبیه‌سازی کردند. ماتیو شالر، اخترشناس در دانشگاه لایدن، می‌گوید برای امکان‌پذیر کردن این شبیه‌سازی، از کد جدیدی به نام سوییفت استفاده کردیم که کار محاسبات را روی ۳۰ هزار پردازنده پخش می‌کند.

‌پژوهشگران نتایج این مدلسازی رایانه‌ای را در قالب سه مقاله در مجله علمی «اطلاعیه‌های ماهانه انجمن سلطنتی نجوم» (MNRAS) منتشر کرده‌اند. یکی از این مقاله‌ها روش‌های به‌کارگرفته‌شده در این شبیه‌سازی را توضیح می‌دهد، دیگری خود شبیه‌سازی‌ها را تفسیر می‌کند و مقاله سوم نیز این موضوع را بررسی می‌کند که این شبیه‌سازی‌ها چگونه ساختار عظیم  گیتی و تکامل آن را بازنمایی می‌کنند.
 

اگرچه تلسکوپ‌های فضایی مانند جیمز وب یا تلسکوپ فضایی یوکلید سازمان فضایی اروپا که برای شناسایی ماده تاریک و انرژی تاریک به فضا پرتاب شده است، داده‌های بسیار ارزشمندی را درباره کهکشان‌ها، اختروش‌ها و ستارگان گردآوری می‌کنند، اما شبیه‌سازی‌هایی مانند فلامینگو بر مبنای نظریه‌های موجود کیهان‌شناسی، نقشی کلیدی در تفسیر علمی این داده‌ها بازی می‌کنند.

بر اساس نظریه‌های پذیرفته‌شده کیهان‌شناسی، ویژگی‌های کل گیتی را می‌توان با تعدادی از «پارامترهای کیهانی» و به عبارتی در ساده‌ترین حالت آن با شش پارامتر توضیح داد. مقدار این پارامترها را می‌توان به روش‌های مختلف بسیار دقیقی اندازه‌گیری کرد. یکی از این روش‌ها بر ویژگی‌های پس‌زمینه ریزموج کیهانی بنا شده است. تابش ضعیف پس‌زمینه تابشی است که از ابتدای شکل‌گیری گیتی و از زمان نزدیک به مِهبانگ به جا مانده است.

اما مشکل بزرگ این‌جا است که این مقادیر، با مقادیری که از طریق سایر روش‌های اندازه‌گیری به دست می‌آید سازگاری دقیقی ندارند. از این رو، این شبیه‌سازی‌ رایانه‌ای ممکن است بتواند دلیل این تنش‌ها را آشکار کند. مدلسازی رایانه‌ای می‌تواند دانشمندان را در مورد سوگیری‌های احتمالی (خطاهای سیستماتیک) در اندازه‌گیری‌ها آگاه کند. از جمله بحران‌های موجود در کیهان‌شناسی، می‌توان به بحران‌های تنش هابل و تنش‌ «سیگما۸» اشاره کرد و اگر شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای برای توضیح این تنش‌ها کافی نباشند، واقعیت این است که این موضوع نظریه‌های پذیرفته شده مدل استاندارد کیهان‌شناسی را با مشکل روبرو خواهد کرد.

تاکنون، شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای مورد استفاده برای مقایسه آن‌ها با رصدهای عملی، تنها «ماده تاریک سرد» (CDM) را دنبال می‌کرده‌اند. به گفته دانشمندان، اگرچه ماده تاریک بر گرانش غالب است، نمی‌توان از سهم ماده معمولی در گرانش گیتی غافل شد، زیرا همین سهم می‌تواند عامل ایجاد اختلاف بین مدل‌های رایانه‌ای و مشاهدات باشد.

نتایج اولیه این پژوهش نشان می‌دهد که هم نوترینوها و هم ماده معمولی برای پیش‌بینی دقیق ضرور‌ی‌اند، اما این‌ها به خودی خود، تنش‌های موجود میان مشاهدات مختلف کیهان‌شناسی را از بین نمی‌برند. با این حال، پروژه فلامینگو را می‌توان یک نقشه کیهانی مجازی جامع برای شناسایی خطاهای اندازه‌گیری دانست.

هرچند که به نظر می‌رسد بخش‌های زیادی از کیهان در تاریخ تکاملش با مدل‌های کنونی سازگار بوده است، ظاهرا گیتی در دوره‌هایی از تکاملش دچار دگرگونی شده است. پژوهشگران می‌گویند قصد دارند با این شبیه‌سازی‌های عظیم ابررایانه‌ای، دلیل ناسازگاری برخی از پیش‌بینی‌های نظری با مشاهدات عملی را کشف کنند و فرصت بهتری برای شناخت و درک‌ کیهان ایجاد کنند.