هناك نكتة قديمة بين طلاب علم الفلك حول سؤال في الامتحان النهائي لدورة علم الكونيات. يبدو كالتالي: “صِف الكون وأعطِ ثلاثة أمثلة.” حسنًا ، قام فريق من الباحثين في ألمانيا والولايات المتحدة والمملكة المتحدة بقفزة عملاقة إلى الأمام لتقديم مثال واحد محدد على الأقل من الكون.
للقيام بذلك ، استخدموا مجموعة من عمليات المحاكاة تسمى “MillenniumTNG”. إنه يتتبع تراكم المجرات والبنية الكونية عبر الزمن. كما أنه يوفر رؤية جديدة للنموذج الكوني القياسي للكون. إنها أحدث عمليات المحاكاة الكونية ، وتنضم إلى الجهود الطموحة مثل مشروع AbacusSummit منذ بضع سنوات.
يأخذ مشروع المحاكاة هذا في الاعتبار أكبر عدد ممكن من جوانب التطور الكوني. يستخدم عمليات محاكاة للمادة العادية (الباريونية) (ما نراه في الكون). ويشمل أيضًا المادة المظلمة والنيوترينوات والطاقة المظلمة التي لا تزال غامضة على آليات تكوين الكون. إنه تحد كبير.
محاكاة الكون
عملت أكثر من 120.000 مركز كمبيوتر من SuperMUC-NG في ألمانيا على البيانات الخاصة بـ MillenniumTNG. جاء ذلك بعد تكوين حوالي مائة مليون مجرة في مساحة فضاء قطرها حوالي 2400 مليون سنة ضوئية. ثم عمل Cosma8 لدورهام على حساب حجم أكبر للكون ، لكنه مليء بتريليون جسيم محاكى للمادة المظلمة و 10 مليارات أخرى تتبعت عمل النيوترينوات الضخمة.
كانت نتيجة هذا الحساب العددي عبارة عن منطقة محاكاة للكون تعكس تكوين وتوزيع المجرات. كان الحجم كبيرًا بما يكفي بحيث يمكن لعلماء الكون استخدامه لاستقراء الفرضيات حول الكون بأكمله وتاريخه. يمكنهم أيضًا استخدامه لسبر الشقوق في النموذج الكوني القياسي للكون.
النموذج الكوني والتنبؤ
يمتلك علماء الكونيات هذا النموذج الأساسي الذي يقترحونه لشرح تطور الكون. يذهب الأمر على هذا النحو: الكون لديه أنواع مختلفة من المادة. هناك مادة باريونية عادية ، نتكون منها جميعًا بالإضافة إلى النجوم والكواكب والمجرات. إنها أقل بقليل من 5٪ من “مادة” الكون. الباقي هو المادة المظلمة والطاقة المظلمة.
يسمي مجتمع علم الكونيات هذه المجموعة الغريبة من الظروف الكونية نموذج “لامدا المادة المظلمة الباردة” (LCDM ، باختصار). في الواقع ، إنه يصف الكون جيدًا. ومع ذلك ، هناك بعض التناقضات. هذا ما يجب أن تساعد المحاكاة في حله. يعتمد النموذج على بيانات من مجموعة متنوعة من المصادر ، بما في ذلك الإشعاع الكوني الميكروي إلى “الشبكة الكونية” ، حيث يتم ترتيب المجرات على طول شبكة معقدة من خيوط المادة المظلمة.
ما لا يزال مفقودًا هو فهم جيد لماهية المادة المظلمة بالضبط. وعندما يتعلق الأمر بالطاقة المظلمة ، فهذا يمثل تحديًا. ويسعى علماء الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات إلى فهم أفضل للـ LCDM ووجود المجهولين الكبيرين. هذا يتطلب الكثير من الملاحظات الجديدة الحساسة من علماء الفلك. على الجانب الآخر من العملة ، فإنها تحتاج أيضًا إلى تنبؤات أكثر تفصيلاً لما يستلزمه نموذج LCDM بالفعل. إنه تحد كبير وهو ما يقود عمليات محاكاة MillenniumTNG العظيمة. إذا تمكن علماء الكونيات من محاكاة الكون بنجاح ، فيمكنهم استخدام تلك المحاكاة للمساعدة في فهم ما يحدث “في الحياة الواقعية”. يتضمن ذلك خصائص المجرات في كل من الكون الحديث وفي العصور القديمة جدًا.
فهم وتوقع اتجاهات المجرات في الكون باستخدام MillenniumTNG
تتبع عمليات محاكاة MillenniumTNG من مشروعات المحاكاة السابقة المسماة “Millennium” و “IllustrisTNG”. توفر هذه المجموعة الأحدث أداة لملء بعض الفجوات في فهمهم لأشياء مثل تطور المجرات وأشكالها (أو مورفولوجيا).
لطالما كان علماء الفلك على دراية بما يسمى “اصطفافات المجرات الجوهرية”. إنه في الأساس ميل للمجرات لتوجيه أشكالها في اتجاهات متشابهة ، لأسباب لا يفهمها أحد حقًا.
اتضح أن عدسات الجاذبية الضعيفة تؤثر على كيفية رؤيتنا لمحاذاة المجرات. يمكن أن تسمح عمليات محاكاة MillenniumTNG لعلماء الفلك بقياس مثل هذه المحاذاة في “العالم الحقيقي” باستخدام محاذاة المحاكاة. إنها خطوة كبيرة للأمام ، وفقًا لعضو الفريق آنا ماريا ديلجادو. وقالت: “ربما يمكن أن يساعد تحديدنا للمحاذاة الجوهرية لاتجاهات المجرات في حل التناقض الحالي بين حجم تراكم المواد المستنتج من العدسة الباهتة وخلفية الموجات الكونية الميكروية”.
تحقق من الماضي
كما هو الحال في مجالات علم الكونيات الأخرى ، تقوم مجموعة MillenniumTNG بسبر الكون الصغير جدًا من خلال المحاكاة. إنه وقت بعد وقت إعادة التأين عندما كانت النجوم الأولى تتألق بالفعل وكانت المجرات الأولى تتطور. بعض هذه المجرات المبكرة كبيرة جدًا ، والتي تبدو خارج سياق الكون الناشئ. رآهم تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ويبقى السؤال: كيف أصبحوا بهذه الضخامة في مثل هذا الوقت القصير بعد الانفجار العظيم؟
يبدو أن محاكاة MillenniumTNG تكرر هذا الاتجاه لبعض المجرات القديمة للنمو بشكل أكبر في وقت قصير. عادة ، بعد حوالي 500 مليون سنة من الانفجار العظيم. فلماذا هذه المجرات ضخمة جدا؟ يقترح عالم الفلك راهول كنان بعض الأفكار لشرح ذلك. وأوضح: “ربما يكون تكوين النجوم أكثر فاعلية بعد الانفجار العظيم بفترة وجيزة ، أو ربما تكونت النجوم الضخمة بنسب أعلى في ذلك الوقت ، مما جعل هذه المجرات ساطعة بشكل غير عادي”.
الآن بعد أن بحث JWST في أوقات سابقة في التاريخ الكوني ، سيكون من المثير للاهتمام معرفة ما إذا كانت عمليات المحاكاة تتنبأ بما يجده. يقترح كينان أنه قد يكون هناك خلاف بين الكون الحقيقي والمحاكاة. إذا حدث هذا ، فإنه سيطرح سؤالًا محيرًا آخر لعلماء الكونيات حول أقدم عهود التاريخ الكوني.
مستقبل استكشاف الكون بالمحاكاة والحقيقية
ستستفيد العقود القليلة القادمة من الدراسات الكونية بشكل كبير من عمليات المحاكاة مثل Millennium TNG. ومع ذلك ، فإن جودة عمليات المحاكاة تعتمد على البيانات التي يتلقونها والافتراضات التي قدمتها فرقهم العلمية. تستفيد MillenniumTNG من قواعد البيانات الواسعة للمعلومات ، فضلاً عن قدرات أجهزة الكمبيوتر العملاقة على معالجة بياناتها. وفقًا للباحث الرئيسي للفريق ، البروفيسور فولكر سبرينجيل من معهد ماكس بلانك ، فإن المحاكاة التي أنتجت أكثر من 3 بيتابايت من البيانات هي نعمة كبيرة لعلم الكونيات.
وقال: “تجمع MillenniumTNG بين التطورات الحديثة في محاكاة تكوين المجرات ومجال البنية الكونية واسعة النطاق ، مما يسمح بتحسين النمذجة النظرية لربط المجرات بالمادة المظلمة العمود الفقري للكون”. “قد يكون هذا مفيدًا جدًا للتقدم في الأسئلة الرئيسية في علم الكونيات ، مثل أفضل السبل للحد من كتلة النيوترينو ببيانات بنية واسعة النطاق.”
تتطابق توقعاته بالتأكيد مع أهداف مشروع MillenniumTNG. تواصل الفرق البناء على نجاح مشروع IllustrisTNG ، الذي أجرى عمليات محاكاة هيدروديناميكية بالإضافة إلى محاكاة الألفية الخاصة بالمادة المظلمة فقط والتي تم إنشاؤها منذ ما يقرب من عقد من الزمان. تم استخدام محاكاة الفريق لدراسة عدد من الموضوعات المجرية المختلفة. وهي تشمل تجميع المادة وهالات المجرات ، ومجموعات المجرات وتوزيعها ، وأنماط تكوين المجرات ، ومجموعات المجرات في الكون المبكر ، ومحاذاة المجرات الجوهرية هذه ، وغيرها من الموضوعات ذات الصلة. في حين أنهم قد لا يكونون قادرين على تحديد الكون بالكامل (وإعطاء ثلاثة أمثلة) ، فإن فريق MillenniumTNG يخطو خطوات كبيرة في فهم أصله وتطوره.
للمزيد من المعلومات
البحث عن شقوق في النموذج الكوني القياسي
صفحة ويب مشروع MillenniumTNG
