إن فهم الكون وكيف تطور على مدار مليارات السنين مهمة شاقة إلى حد ما. من ناحية ، فإنه ينطوي على النظر بجدية في مليارات السنين الضوئية في الفضاء العميق (وبالتالي مليارات السنين في الماضي) لترى كيف تغير هيكلها الواسع النطاق بمرور الوقت. ثم ، هناك حاجة إلى كميات هائلة من قوة الحوسبة لمحاكاة الشكل الذي يجب أن تبدو عليه (بناءً على الفيزياء المعروفة) ومعرفة ما إذا كانت تتطابق.
هذا ما فعله فريق من علماء الفيزياء الفلكية من جامعة زيورخ (UZH) باستخدام الكمبيوتر العملاق “Piz Daint”. باستخدام هذه الآلة المتطورة ، قاموا بمحاكاة تشكيل الكون بأكمله وأنتجوا كتالوجًا يضم حوالي 25 مليار مجرة افتراضية. سيتم إطلاق هذا الكتالوج على متن مهمة إقليدس التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية في عام 2020 ، والتي ستقضي ست سنوات في استكشاف الكون من أجل التحقيق في المادة المظلمة.
تم تفصيل عمل الفريق في دراسة ظهرت بشكل متكرر في المجلة الفيزياء الفلكية الحاسوبية وعلم الكونيات. أمضى الفريق ، بقيادة دوجلاس بوتر ، السنوات الثلاث الماضية في تطوير رمز محسن لوصف ديناميات المادة المظلمة (بدقة غير مسبوقة) بالإضافة إلى تكوين الهياكل واسعة النطاق في الكون.
تم تصميم الرمز ، المعروف باسم PKDGRAV3 ، خصيصًا للاستخدام الأمثل للذاكرة المتاحة وقوة المعالجة للهياكل الحديثة فائقة الحوسبة. بعد تنفيذه على الكمبيوتر العملاق "Piz Daint" - الموجود في المركز الوطني السويسري للحوسبة (CSCS) - لمدة 80 ساعة فقط ، تمكن من إنشاء كون افتراضي من تريليونات من الجزيئات الكبيرة ، منها كتالوج من 25 تم استخراج مليار المجرات الافتراضية.
كانت حساباتهم الجوهرية هي الطريقة التي تطور بها سائل المادة المظلمة تحت جاذبيته ، مما أدى إلى تكوين تركيزات صغيرة تعرف باسم "هالات المادة المظلمة". ضمن هذه الهالات - المكون النظري الذي يعتقد أنه يمتد إلى ما يتجاوز المدى المرئي للمجرة - يعتقد أن المجرات مثل درب التبانة قد تكونت.
بطبيعة الحال ، قدم هذا التحدي. لا يتطلب الأمر فقط حسابًا دقيقًا لكيفية تطور بنية المادة المظلمة ، بل يتطلب أيضًا أن يفكروا في كيفية تأثير ذلك على كل جزء آخر من الكون. وكما قال يواكيم ستادل ، الأستاذ في مركز الفيزياء الفلكية النظرية وعلم الكونيات بجامعة UZH ومؤلف مشارك في البحث ، لمجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني:
"لقد قمنا بمحاكاة 2 تريليون قطعة من هذه المادة المظلمة ، وهي أكبر عملية حساب من هذا النوع تم إجراؤها على الإطلاق. للقيام بذلك ، كان علينا استخدام تقنية حسابية تعرف باسم "طريقة تعدد الأقطاب السريع" واستخدام أحد أسرع أجهزة الكمبيوتر في العالم ، "Piz Daint" في المركز الوطني للحوسبة الفائقة السويسرية ، والتي من بين أشياء أخرى لديها وحدات معالجة رسومات سريعة جدًا (GPUs) التي تسمح بتسريع هائل لحسابات النقطة العائمة المطلوبة في المحاكاة. تتجمع المادة المظلمة في "هالات" من المادة المظلمة والتي بدورها تأوي المجرات. تنتج حساباتنا بدقة توزيع وخصائص المادة المظلمة ، بما في ذلك الهالات ، ولكن يجب وضع المجرات ، بكل خصائصها ، داخل هذه الهالات باستخدام نموذج. تم تنفيذ هذا الجزء من المهمة من قبل زملائنا في برشلونة تحت إشراف بابلو فوسالبا وفرانسيسكو كاستاندر. ثم تحتوي هذه المجرات على الألوان المتوقعة والتوزيع المكاني وخطوط الانبعاث (مهمة للأطياف التي لاحظها إقليدس) ويمكن استخدامها لاختبار ومعايرة العديد من الأخطاء النظامية والأخطاء العشوائية داخل خط أنابيب أداة إقليدس بالكامل. "
بفضل الدقة العالية لحساباتهم ، تمكن الفريق من إصدار كتالوج يفي بمتطلبات مهمة إقليد وكالة الفضاء الأوروبية ، التي تهدف بشكل أساسي إلى استكشاف "الكون المظلم". هذا النوع من البحث ضروري لفهم الكون على أكبر المقاييس ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الغالبية العظمى من الكون مظلمة.
بين 23٪ من الكون المكون من المادة المظلمة و 72٪ التي تتكون من الطاقة المظلمة ، يتكون واحد وعشرون فقط من الكون من مادة يمكننا رؤيتها باستخدام الآلات العادية (المعروفة أيضًا باسم "مضيئة" أو المادة الباريونية). على الرغم من اقتراحها خلال الستينيات والتسعينيات على التوالي ، تبقى المادة المظلمة والطاقة المظلمة اثنين من أعظم الألغاز الكونية.
بالنظر إلى أن وجودهم مطلوب من أجل عمل نماذجنا الكونية الحالية ، لم يتم الاستدلال على وجودهم إلا من خلال الملاحظة غير المباشرة. هذا هو بالضبط ما ستفعله مهمة إقليدس على مدار مهمتها التي تستغرق ست سنوات ، والتي ستتكون من التقاط الضوء من مليارات المجرات وقياسها لتشوهات دقيقة ناتجة عن وجود كتلة في المقدمة.
بنفس الطريقة التي يمكن بها تشويه قياس ضوء الخلفية من خلال وجود مجال جاذبي بينه وبين المراقب (أي اختبار عريق للنسبية العامة) ، فإن وجود المادة المظلمة سيؤثر على تأثير الجاذبية على الضوء. كما أوضح ستادل ، فإن كونهم المحاكى سيلعب دورًا مهمًا في هذه المهمة الإقليدية - توفير إطار سيتم استخدامه أثناء وبعد المهمة.
وقال: "من أجل التنبؤ بمدى قدرة المكونات الحالية على إجراء قياس معين ، يجب إنشاء كون مليء بالمجرات أقرب ما يمكن من الكون المرصود". "كتالوج المجرات" المقلد "هذا هو ما تم إنشاؤه من المحاكاة وسيتم استخدامه الآن بهذه الطريقة. ومع ذلك ، في المستقبل عندما يبدأ Euclid في أخذ البيانات ، سنحتاج أيضًا إلى استخدام عمليات محاكاة مثل هذه لحل المشكلة العكسية. سنحتاج بعد ذلك إلى أن نكون قادرين على أخذ الكون المرصود وتحديد المعلمات الأساسية لعلم الكونيات ؛ اتصال لا يمكن إجراؤه حاليًا إلا بدقة كافية من خلال عمليات محاكاة كبيرة مثل تلك التي أجريناها للتو. هذا جانب مهم ثاني لكيفية عمل مثل هذه المحاكاة [و] أمر محوري في مهمة إقليدس. "
من بيانات إقليدس ، يأمل الباحثون في الحصول على معلومات جديدة حول طبيعة المادة المظلمة ، ولكن أيضًا لاكتشاف فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات - أي نسخة معدلة من النسبية العامة أو نوع جديد من الجسيمات. وكما أوضح ستادل ، فإن أفضل نتيجة للمهمة ستكون النتيجة التي تحققها النتائج ليس تتوافق مع التوقعات.
"في حين أنه من المؤكد أن يجعل القياسات الأكثر دقة للمعلمات الكونية الأساسية (مثل كمية المادة المظلمة والطاقة في الكون) أكثر إثارة بكثير هو قياس شيء يتعارض أو ، على الأقل ، في توتر مع وقال "نموذج لامدا القياسية المادة المظلمة الباردة" (LCDM) ". "أحد أكبر الأسئلة هو ما إذا كان ما يسمى بـ" الطاقة المظلمة "لهذا النموذج هو في الواقع شكل من أشكال الطاقة ، أو ما إذا كان يتم وصفه بشكل صحيح من خلال تعديل نظرية النسبية العامة لأينشتاين. في حين أننا قد نبدأ في خدش سطح هذه الأسئلة ، إلا أنها مهمة جدًا ولديها القدرة على تغيير الفيزياء على مستوى أساسي جدًا. "
يأمل ستادل وزملاؤه في المستقبل في تشغيل محاكاة للتطور الكوني تأخذ في الاعتبار كلا من المادة المظلمة و الطاقة المظلمة. في يوم من الأيام ، يمكن أن تشكل هذه الجوانب الغريبة للطبيعة ركائز علم الكونيات الجديد ، والتي تتجاوز حدود فيزياء النموذج القياسي. في غضون ذلك ، من المرجح أن ينتظر علماء الفيزياء الفلكية من جميع أنحاء العالم الدفعة الأولى من النتائج من مهمة إقليدس مع التنفس.
إقليدس هي واحدة من العديد من المهام التي تشارك حاليًا في البحث عن المادة المظلمة ودراسة كيفية تشكيل كوننا. وتشمل الأنواع الأخرى تجربة مطياف ألفا المغناطيسي (AMS-02) على متن محطة الفضاء الدولية ، ومسح درجة الكيلو (KiDS) التابع لـ ESO ، ومُصادم Hardon الكبير CERN. مع الحظ ، ستكشف هذه التجارب عن قطع اللغز الكوني الذي ظل بعيد المنال لعقود.
