فتح علماء الفلك إمكانية الوصول إلى محاكاة للكون لدراسة المادة المظلمة والطاقة

يمكن لعمليات المحاكاة الكونية أن تعيد إنتاج تطور الكون حرفيًا منذ مليارات السنين الأولى بعد الانفجار الكبير وحتى يومنا هذا. في السابق، كانت أداة العمل الرئيسية هي النماذج التي أخذت في الاعتبار المادة المظلمة فقط، لأنها تشكل “إطار” البنية الكونية. لكن هذا لم يعد كافيًا: على مقاييس أقل من 10 ميغا فرسخ فلكي، تلعب المادة العادية دورًا نشطًا: الغاز والنجوم والمستعرات الأعظمية والثقوب السوداء وانبعاثات الطاقة من نوى المجرة النشطة. كل هذا يغير بشكل ملحوظ توزيع المادة ويؤثر على الإشارات المرصودة. لذلك، يحتاج العلماء إلى محاكاة هيدروديناميكية، حيث لا تتم محاكاة المادة المظلمة فحسب، بل أيضًا المادة الباريونية – وهي مادة مألوفة. المشكلة هي أن مثل هذه الحسابات تكلف فلساً واحداً، وتتطلب قوة حاسوبية هائلة وذاكرة ومساحة لتخزين البيانات. من الصعب بشكل خاص نمذجة كميات كبيرة من الكون، حيث يمكنك رؤية مجموعات ضخمة من المجرات ووصف الشبكة الكونية بشكل صحيح على نطاق هائل.

تم إنشاء مشروع FLAMINGO (محاكاة البنية المائية الكاملة واسعة النطاق باستخدام خرائط السماء بالكامل لتفسير ملاحظات الجيل التالي) لهذه المهمة. أجرى مطوروها 22 محاكاة هيدروديناميكية و16 محاكاة أخرى للجاذبية فقط. أخذت النماذج في الاعتبار تبريد الغاز، وتكوين النجوم، والإثراء الكيميائي للبيئة، وانفجارات السوبرنوفا، ونمو الثقوب السوداء الهائلة. علاوة على ذلك، تم تصميم النيوترينوات في هذه الحسابات كجسيمات فردية وليس كخلفية مبسطة، مما يجعل النتائج ذات قيمة خاصة لعلم الكونيات الحديث. وتضمنت أكبر عملية حسابية، وهي FLAMINGO-10k، ما يقرب من 1.2 تريليون جسيم، وهو ما يزيد كثيرًا عن عدد النجوم في درب التبانة. وبهذه الطريقة، من الممكن دراسة ليس فقط المجرات الفردية، ولكن أيضًا إحصائيات العناقيد العملاقة النادرة، بالإضافة إلى تأثير المعلمات الكونية على بنية الكون ككل. ولجعل النموذج واقعيًا قدر الإمكان، قام الباحثون بمعايرته خصيصًا باستخدام بيانات المراقبة. لقد اختاروا المعلمات بحيث أعادت عمليات المحاكاة إنتاج وظيفة الكتلة النجمية الحديثة للمجرات، ومحتوى الغاز في العناقيد، وكتل الثقوب السوداء. ثم أطلقوا متغيرات ذات علوم كونية مختلفة – على سبيل المثال، مع كتلة نيوترينو مختلفة، أو مادة مظلمة متحللة، أو معلمات طاقة مظلمة بديلة. يتيح لنا هذا النهج اختبار السيناريوهات التي تتوافق بشكل أفضل مع الكون الحقيقي.

نشر مؤلفو العمل العلمي، الذي تم قبوله للنشر في مجلة علم الفلك والحوسبة، صورًا متاحة للجمهور لتطور الكون عند انزياحات حمراء مختلفة، وكتالوجات للمجرات والهالات، وخرائط للسماء بأكملها بتنسيق HEALPix، وخرائط لعدسات الجاذبية الضعيفة، والأشعة السينية والعديد من المنتجات الأخرى. يتجاوز إجمالي حجم البيانات 2.4 بيتابايت. وبما أنه من المستحيل بالنسبة لمعظم الباحثين تنزيل مثل هذه المصفوفات من المعلومات بأكملها، فقد قام الفريق بتطوير خدمة ويب خاصة. فهو يسمح لك بعدم تحميل المحاكاة بأكملها، ولكن تحديد الأجزاء الضرورية فقط من البيانات – على سبيل المثال، مجرة ​​معينة أو مجموعة منفصلة. وهذا يجعل FLAMINGO متاحًا ليس فقط لمراكز الحوسبة الفائقة الكبيرة، ولكن أيضًا لمجموعات البحث العادية. حتى قبل الإصدار الرسمي، تم بالفعل نشر حوالي 70 دراسة علمية تمت مراجعتها من قبل النظراء استنادًا إلى فلامينجو. تستنسخ المحاكاة بشكل جيد الخصائص المرصودة للمجرات، وتطور تكوين النجوم، وهياكل النطاق والعديد من المعالم الأخرى. على الرغم من أن النموذج ليس مثاليًا بالتأكيد، إلا أنه لا تزال هناك بعض التناقضات مع الملاحظات، وقد أصبح بالفعل أحد الأدوات الرئيسية لعلم الكونيات الحديث. لاحظ أن فلامنغو ليس النموذج الكوني الكبير الوحيد. وكما ذكر موقع Naked Science سابقًا، فإن تطور المجرات تم استنساخه بشكل مثالي من خلال مشاريع أخرى، بما في ذلك محاكاة الجاذبية Flagship 2 وسلسلة عمليات المحاكاة COLIBRE التي تم الإعلان عنها مؤخرًا.