بزرگترین شبیهسازی کیهانی: کشف رازهای جهان با ابررایانه Frontier

دانشمندان با استفاده از یکی از پیشرفتهترین ابررایانههای جهان، شبیهسازیای بیسابقه از کیهان انجام دادهاند که بزرگترین شبیهسازی کیهانی تا به امروز محسوب میشود. این پروژه عظیم، با نام ExaSky، در آزمایشگاه ملی اوک ریج (Oak Ridge National Laboratory) ایالات متحده و با استفاده از ابررایانه Frontier اجرا شد. در این شبیهسازی، حجمی بالغ بر ۳۱ میلیارد مگاپارسک مکعب از جهان در حال انبساط بازسازی شده است؛ حجمی که چشمانداز بینظیری از ساختارها و پدیدههای کیهانی را ارائه میدهد.
هدف شبیهسازی ExaSky: درک عمیقتر از کیهان
پروژه ExaSky با هدف درک بهتر تکامل جهان و بررسی دقیقتر فیزیک کیهانی طراحی شده است. این شبیهسازی علاوه بر مدلسازی تعاملات گرانشی، شامل بازسازی فرآیندهای پیچیدهای مانند تشکیل ستارگان، سیاهچالهها، کهکشانها و رفتار گازهای داغ است.
براساس گفته سلمان حبیب (Salman Habib)، فیزیکدان آزمایشگاه ملی آرگون (Argonne National Laboratory) که رهبری این پروژه را بر عهده داشته است، این شبیهسازی تلاش میکند تا دو مؤلفه اساسی کیهان، یعنی ماده تاریک (Dark Matter) و ماده معمولی (Atomic Matter)، را بهطور همزمان مدلسازی کند. ماده تاریک، که تنها از طریق نیروی گرانش با سایر اجزای جهان تعامل دارد، یکی از بزرگترین معماهای کیهانشناسی است.
چرا شبیهسازی کیهان ضروری است؟
جهان کیهانی ما به دلیل ابعاد عظیم و زمان طولانی تکامل آن، امکان مشاهده تغییرات در زمان واقعی را به ما نمیدهد. نور کهکشانها برای رسیدن به ما میلیاردها سال نوری سفر میکند، بنابراین آنچه میبینیم، تصویر گذشتههای دور است. شبیهسازیهای کیهانی به ما این امکان را میدهند که با سرعت بخشیدن به زمان، فرآیندهای کیهانی را بازسازی کنیم.
دانشمندان میتوانند به کمک این شبیهسازیها، تحولات کهکشانها، شکلگیری خوشههای کهکشانی و حتی اثرات ماده تاریک را با دقت بیشتری بررسی کنند. این شبیهسازیها همانند نگاهی الهی به تاریخ کیهان، ابزار قدرتمندی برای درک ساختارها و فرآیندهای کیهانی هستند.
جزئیات فنی شبیهسازی ExaSky
پروژه ExaSky با استفاده از ۹۰۰۰ گره محاسباتی ابررایانه Frontier انجام شد. این ابررایانه، که یکی از سریعترین سیستمهای محاسباتی جهان است، امکان اجرای مدلهایی با جزئیات بینظیر را فراهم میکند.
شبیهسازی انجامشده حجمی معادل ۳۱ میلیارد مگاپارسک مکعب از کیهان را بازسازی کرده است. برای مقایسه، بخشی از این شبیهسازی که تصویری از خوشهای عظیم از کهکشانها را نشان میدهد، حجمی برابر با ۶۴ در ۶۴ در ۷۶ مگاپارسک دارد، که تنها ۰.۰۰۱ درصد از کل شبیهسازی است.
این مدل شامل جزئیاتی است که پیشتر امکانپذیر نبود. تعاملات گرانشی، رفتار گازهای داغ، تشکیل ستارگان و سایر پدیدههای دینامیکی بهصورت همزمان در این شبیهسازی لحاظ شدهاند.
چالشهای اجرای شبیهسازی کیهانی
شبیهسازی کیهان فرآیندی فوقالعاده پیچیده است که به ترکیبی از ریاضیات پیشرفته، الگوریتمهای بهینه و قدرت پردازش بینظیر نیاز دارد. تا همین اواخر، بیشتر شبیهسازیهای کیهانی تنها شامل تعاملات گرانشی بودند و بسیاری از پدیدههای دینامیکی به دلیل محدودیتهای محاسباتی حذف میشدند.
توسعه کدهای پیشرفتهای مانند Hybrid Accelerated Cosmology Code و ارتقای قدرت ابررایانهها امکان شبیهسازیهای دقیقتر را فراهم کرده است. براساس گفته تیم پژوهشی، این پیشرفتها نه تنها امکان مدلسازی دقیقتر کیهان را فراهم کردهاند، بلکه افقهای جدیدی برای تحقیقات کیهانی گشودهاند.
پتانسیل شبیهسازی در کشف اسرار کیهان
تصاویر اولیه منتشرشده از شبیهسازی ExaSky نشاندهنده خوشههای عظیمی از کهکشانها و ساختارهای پیچیده کیهانی است. این شبیهسازی نه تنها به دلیل ابعاد وسیع آن، بلکه به دلیل جزئیات فیزیکی بیسابقهای که در آن لحاظ شده، گامی بزرگ در کیهانشناسی به شمار میرود.
دانشمندان امیدوارند که این شبیهسازی بتواند به سؤالات بزرگی درباره ماده تاریک، تکامل کهکشانها و نقش نیروهای گرانشی در شکلگیری کیهان پاسخ دهد. این شبیهسازی همچنین میتواند دادههای بسیار دقیقی برای مقایسه با مشاهدات واقعی تلسکوپهایی مانند رصدخانه روبین در شیلی ارائه دهد.
اهمیت شبیهسازی ExaSky برای آینده کیهانشناسی
براساس گفته برانسون مسر (Bronson Messer)، اخترفیزیکدان آزمایشگاه ملی اوک ریج، شبیهسازی ExaSky به دلیل ترکیب ابعاد وسیع و جزئیات دقیق آن، یک شاهکار علمی محسوب میشود. این پروژه نه تنها به درک بهتر ما از فیزیک کیهانی کمک میکند، بلکه امکان توسعه مدلهای پیشرفتهتر را برای تحقیقات آینده فراهم میآورد.
نتایج این شبیهسازی در آینده نزدیک منتشر خواهد شد و پیشبینی میشود که دادههای حاصل از آن، به کشف پاسخهایی اساسی درباره ساختار و تکامل کیهان کمک کند.
این نوشتهها را هم بخوانید