تنتهي محاكاة كونية هائلة ، وتعيد خلق الكون

هناك نكتة قديمة بين طلاب علم الفلك حول سؤال في الامتحان النهائي لفصل علم الكونيات. يذهب على النحو التالي: “صِف الكون وأعطِ ثلاثة أمثلة.” حقق فريق من الباحثين في ألمانيا والولايات المتحدة وإنجلترا قفزة هائلة إلى الأمام في تقديم نموذج دقيق واحد على الأقل للكون.

للقيام بذلك ، استخدموا مجموعة من عمليات المحاكاة تسمى “MillenniumTNG”. إنها تشكل المجرات والنظام الكوني بمرور الوقت. كما أنه يوفر منظورًا جديدًا للنموذج الكوني القياسي للكون. إنها الأحدث في سلسلة من عمليات المحاكاة الكونية ، وتنضم إلى الجهود الطموحة مثل مشروع قمة العداد قبل عامين.

يأخذ مخطط المحاكاة هذا في الاعتبار أكبر عدد ممكن من جوانب التطور الكوني. يستخدم عمليات محاكاة للمادة العادية (الباريونية) (وهو ما نراه في الكون). ويغطي الموضوع ، النيوترينوات والطاقة المظلمة التي لا تزال غامضة في آلية خلق الكون. هذا طلب طويل.

محاكاة الكون

ذهب أكثر من 120.000 مركز كمبيوتر في SuperMUC-NG في ألمانيا للعمل على البيانات الخاصة بـ MillenniumTNG. تتبعت تكوين حوالي مائة مليون مجرة ​​في منطقة من الفضاء تمتد على حوالي 2400 مليون سنة ضوئية. ثم ذهب Cosma8 في دورهام لعمل حساب على نطاق واسع للكون ، لكنه مكمل بتريليون جسيم محاكى للمادة المظلمة و 10 مليارات أخرى تتبع نشاط النيوترينوات الضخمة.

نتيجة أزمة الأرقام هذه هي محاكاة لجزء من الكون يعكس تكوين وتوزيع المجرات. كانت كبيرة بما يكفي لعلماء الكون لاستخدامها لتوسيع فرضياتهم حول الكون بأكمله وتاريخه. يمكنهم استخدامه لاكتشاف “الشقوق” في النموذج الكوني القياسي للكون.

النمذجة والتنبؤ الكوني

يمتلك علماء الكونيات هذا النموذج الأساسي لشرح تطور الكون. يذهب الأمر على هذا النحو: يتكون الكون من أنواع مختلفة من المادة. هناك مادة باريونية عادية تتكون منا ومن النجوم والكواكب والمجرات. إنها تشكل أقل من 5٪ من “الأشياء” في الكون. الباقي هو المادة المظلمة والطاقة المظلمة.

يسمي المجتمع الكوني هذه الظروف الكونية الغريبة نموذج “المادة المظلمة الذهبية لامدا” (اختصار LCDM). إنه يصف الكون بشكل جميل حقًا. ومع ذلك ، هناك بعض التناقضات. يجب أن تساعد المحاكاة في حلها. يعتمد النموذج على بيانات من مجموعة متنوعة من المصادر ، بدءًا من إشعاع الميكروويف الكوني إلى “الشبكة الكونية” ، حيث يتم ترتيب المجرات في شبكة معقدة من خيوط المادة المظلمة.

لا يوجد حتى الآن فهم جيد لماهية المادة المظلمة. وعندما يتعلق الأمر بالطاقة المظلمة ، فهذا يمثل تحديًا. أيضًا ، يسعى علماء الفيزياء الفلكية وعلماء الكونيات إلى فهم أفضل للـ LCDM ووجود مجهولين كبيرين. يتطلب ذلك الكثير من الملاحظات الجديدة الحساسة من علماء الفلك. على الجانب الآخر من العملة ، نحتاج أيضًا إلى تنبؤات مفصلة لما يمثله نموذج LCDM بالفعل. إنه تحد كبير ويدير عمليات محاكاة ضخمة لـ MillenniumTNG. إذا تمكن علماء الكونيات من محاكاة الكون بنجاح ، فيمكنهم استخدام تلك المحاكاة لفهم ما يحدث في “الحياة الواقعية”. وتشمل هذه خصائص المجرات في الكون المبكر والحديث.

فهم وتوقع اتجاهات المجرات في الكون باستخدام MillenniumTNG

تتبع عمليات محاكاة MillenniumTNG برامج المحاكاة السابقة المسماة “Millennium” و “IllustrisTNG”. توفر هذه المجموعة الأخيرة أداة لسد بعض الفجوات في فهمهم لأشياء مثل تطور المجرات وأشكالها (أو أشكالها).

عرف الفلكيون منذ فترة طويلة عن شيء يسمى “محاذاة المجرات الجوهرية”. هذا في الأساس ميل للمجرات لتغيير أشكالها في اتجاهات مماثلة.

يؤثر ضعف عدسات الجاذبية على كيفية رؤيتنا لمحاذاة المجرة. تسمح عمليات محاكاة MillenniumTNG لعلماء الفلك بقياس مثل هذه المحاذاة في “العالم الحقيقي” باستخدام محاذاة المحاكاة. وفقًا لعضو الفريق آنا ماريا ديلجادو ، يعد هذا تحسنًا كبيرًا. وقال: “ربما يساعد تحديدنا للمحاذاة الجوهرية لاتجاهات المجرات في حل التناقض الحالي بين حجم مجموعة المواد المستنتج من العدسة الضعيفة وخلفية الميكروويف الكونية”.

استكشاف الماضي

مثل مجالات علم الكونيات الأخرى ، يدرس فريق MillenniumTNG الكون الصغير جدًا من خلال المحاكاة. كان هذا بعد عصر إعادة التأين ، عندما كانت النجوم الأولى قد أشرق بالفعل وتشكلت المجرات الأولى. كانت بعض تلك المجرات المبكرة ضخمة جدًا لدرجة أنها بدت خارج سياق الكون الصغير. رصدهم تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ، ويبقى السؤال: كيف أصبحوا بهذه الضخامة في مثل هذا الوقت القصير بعد الانفجار العظيم؟

تعكس عمليات محاكاة MillenniumTNG هذا الميل لبعض المجرات المبكرة للنمو بشكل أكبر في فترة زمنية أقصر. بشكل عام ، هذا هو حوالي 500 مليون سنة بعد الانفجار العظيم. إذن ، لماذا هذه المجرات كبيرة جدًا؟ يقدم عالم الفلك راهول كنان بضع أفكار لشرح ذلك. وأوضح: “ربما أصبح تكوين النجوم أكثر فاعلية بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم ، أو ربما تكونت النجوم الضخمة بمعدل أعلى ، مما جعل هذه المجرات ساطعة بشكل غير عادي”.

الآن بعد أن بحث JWST عن فترات سابقة في تاريخ الكون ، سيكون من المثير للاهتمام التنبؤ بما ستعثر عليه المحاكاة. يقول كينان أنه قد تكون هناك اختلافات في الرأي بين الكون الحقيقي والمحاكاة. إذا حدث ذلك ، فسيعطي علماء الكونيات سؤالًا آخر مثيرًا للاهتمام حول العهود المبكرة للتاريخ الكوني.

مستقبل استكشاف الفضاء بالمحاكاة والحقيقية

سوف تستفيد الدراسات الكونية للعقد القادم بشكل كبير من عمليات المحاكاة مثل الألفية TNG. ومع ذلك ، فإن عمليات المحاكاة جيدة فقط مثل البيانات التي تتلقاها والافتراضات التي تضعها فرقهم العلمية. تستفيد MillenniumTNG من قواعد البيانات الواسعة للمعلومات وقدرات معالجة البيانات الخاصة بأجهزة الكمبيوتر العملاقة. وفقًا للباحث الرئيسي للفريق ، البروفيسور فولكر سبرينكل من معهد ماكس بلانك ، فإن عمليات المحاكاة ، التي أنتجت أكثر من 3 بيتابايت من البيانات ، تعد من الأصول الرئيسية لعلم الكونيات.

وقال: “تجمع MillenniumTNG بين التطورات الحديثة في محاكاة تكوين المجرات ومجال البنية الكونية واسعة النطاق ، مما يسمح بنموذج نظري متقدم لدمج المجرات مع العمود الفقري للمادة المظلمة في الكون”. “يمكن أن يكون هذا مفيدًا في طرح أسئلة رئيسية في علم الكونيات ، مثل أفضل طريقة لتقييد كتلة النيوترينوات ببيانات هيكلية واسعة النطاق.”

بالطبع تنبؤاته تتماشى مع أهداف مشروع MillenniumTNG. تواصل الفرق البناء على نجاح مشروع IllustrisTNG ، الذي تم تطويره منذ ما يقرب من عقد من الزمان من أجل المحاكاة الديناميكية المائية ومحاكاة الألفية الخاصة بالمادة المظلمة فقط. تُستخدم محاكاة الفريق لدراسة موضوعات مجرية مختلفة. وهي تشمل الهالات المادية والمجرية ، وعناقيد المجرات وتوزيعها ، ونماذج تكوين المجرات ، ومجموعات المجرات في الكون المبكر ، والمحاذاة الجوهرية للمجرات ، وغيرها من الموضوعات ذات الصلة. في حين أنهم لا يزالون غير قادرين على تحديد الكون بالكامل (وإعطاء ثلاثة أمثلة) ، فإن فريق MillenniumTNG يخطو خطوات كبيرة في فهم أصوله وتطوره.

للمزيد من المعلومات

البحث عن شقوق في النموذج الكوني القياسي
صفحة ويب مشروع MillenniumTNG