این چشم انداز شگفت انگیز بزرگترین شبیه سازی جهان است

در آبان ۱۴۰۳، فیزیکدانان از ۹۰۰۰ گره محاسباتی ابرکامپیوتر Frontier برای شبیه سازی حجمی از جهان در حال انبساط با اندازه بیش از ۳۱ میلیارد مگاپارسک مکعب استفاده کردند.

نتایج این پروژه که به نام ExaSky شناخته می‌شود، به اخترفیزیکدانان و کیهان‌شناسان کمک می‌کند تا تکامل و فیزیک کیهان، از جمله کاوشگرها را به ماهیت مرموز ماده تاریک درک کنند.

فیزیکدان سلمان حبیب از آزمایشگاه ملی آرگون در ایالات متحده که رهبری این تلاش را بر عهده داشت، توضیح می‌دهد: «دو جزء در کیهان وجود دارد: ماده تاریک – که تا آنجا که ما می‌دانیم، فقط به صورت گرانشی برهم‌کنش دارد – و ماده معمولی یا ماده اتمی».

بنابراین، اگر می‌خواهیم بدانیم که کیهان در چه کاری است، باید هر دوی این موارد را شبیه‌سازی کنیم: گرانش و همچنین تمام فیزیک‌های دیگر از جمله گاز داغ، و تشکیل ستارگان، سیاه‌چاله‌ها و کهکشان‌ها، اخترفیزیک. سینک آشپزخانه، به اصطلاح، این شبیه سازی ها همان چیزی است که ما آن را شبیه سازی هیدرودینامیک کیهانی می نامیم.

هنگامی که ما از طریق فضا، در امتداد میلیاردها سال نوری نگاه می کنیم، در طول زمان نیز نگاه می کنیم. به این ترتیب، ما می‌توانیم تصویری از چگونگی تکامل کیهان را جمع آوری کنیم. اما زمان تغییر همه چیز در مقیاس کیهانی بسیار زیاد است، و ما نمی‌توانیم شاهد وقوع آن تغییرات در زمان واقعی باشیم.

شبیه‌سازی‌ها یکی از بهترین ابزارهایی هستند که باید تلاش کنیم تا بفهمیم جهان چگونه تکامل یافته است. ما می‌توانیم اعداد را وصل کنیم، زمان را تسریع کنیم، آن را به عقب برگردانیم، بزرگنمایی کنیم، کوچک‌نمایی کنیم، و در کل فقط Super Being را در گستره‌های وسیع کیهان بازی کنیم.

ساده به نظر می رسد، اما اینطور نیست. فضا بسیار بزرگ و فوق العاده پیچیده است. این کار به ریاضیات بسیار پیچیده و یک ابرکامپیوتر بسیار قدرتمند نیاز دارد. حتی در این صورت، بسیاری از چیزها وجود دارد که ممکن است به خاطر کارآمدی، نادیده گرفته شوند. برای مثال، شبیه‌سازی‌های قبلی مجبور بودند بسیاری از متغیرهایی را که یک شبیه‌سازی هیدرودینامیکی را تشکیل می‌دهند، کنار بگذارند.

حبیب می‌گوید: اگر بخواهیم یک تکه بزرگ از کیهان را شبیه‌سازی کنیم که توسط یکی از تلسکوپ‌های بزرگ مانند رصدخانه روبین در شیلی مورد بررسی قرار گرفته است، شما در مورد نگاه کردن به بخش‌های عظیم زمان – میلیاردها سال انبساط صحبت می‌کنید. «تا همین اواخر، ما حتی نمی‌توانستیم چنین شبیه‌سازی بزرگی را به جز در تقریب فقط گرانش تصور کنیم».

اصلاح الگوریتم‌ها، ریاضیات و کدهای سخت‌افزار/هیبرید تسریع‌شده کیهان‌شناسی مورد نیاز برای اجرای شبیه‌سازی ExaSky سال‌ها طول کشیده است.

اما، با ارتقاء تبدیل Frontier به سریع‌ترین ابررایانه جهان در آن زمان، این تیم توانست اندازه شبیه‌سازی خود را برای مدل‌سازی گسترش کیهان افزایش دهد.

مدتی طول می کشد تا تحلیل های منتشر شده بر اساس شبیه سازی را ببینیم، اما می توانید از یک تیزر کوچک لذت ببرید. ویدئویی که توسط این تیم منتشر شده است، خوشه ای عظیم از کهکشان ها را نشان می دهد که در فضایی با ابعاد ۶۴ در ۶۴ در ۷۶ مگاپارسک یا ۳۱۱۲۹۶ مگاپارسک مکعب گرد هم می آیند.

این حجم فقط ۰.۰۰۱ درصد از کل حجم شبیه سازی را نشان می دهد، بنابراین ما انتظار داریم در آینده شاهد نتایج بسیار شگفت انگیزی باشیم.

برونسون مسر، اخترفیزیکدان از آزمایشگاه ملی اوک ریج، می‌گوید: فقط اندازه وسیع حوزه فیزیکی نیست، که برای مقایسه مستقیم با مشاهدات پیمایشی مدرن که توسط محاسبات مقیاس بزرگ امکان‌پذیر شده است، ضروری است.

همچنین واقع‌گرایی فیزیکی اضافه شده شامل باریون‌ها و سایر فیزیک‌های دینامیکی است که این شبیه‌سازی را به یک نیروی واقعی برای Frontier تبدیل می‌کند.