"آلة الكون" الافتراضية تلقي الضوء على تطور المجرة
من خلال إنشاء ملايين الأكوان الافتراضية ومقارنتها بملاحظات المجرات الفعلية ، اكتشف الباحثون اكتشافات تقدم طريقة جديدة قوية لدراسة تكوين المجرات.
كيف المجرات مثل درب التبانة لدينا حيز الوجود؟ كيف تنمو وتتغير مع مرور الوقت؟ ظل العلم وراء تكوين المجرة لغزًا لعقود من الزمان ، لكن فريق العلماء الذي تقوده جامعة أريزونا يقترب خطوة واحدة من إيجاد الإجابات بفضل عمليات المحاكاة العملاقة.
لا يمكن مراقبة المجرات الحقيقية في الفضاء إلا توفير لقطات في الوقت المناسب ، لذلك يتعين على الباحثين الذين يرغبون في دراسة كيفية تطور المجرات على مدى مليارات السنين العودة إلى محاكاة الكمبيوتر. تقليديا ، استخدم علماء الفلك هذا النهج لابتكار واختبار نظريات جديدة لتكوين المجرة ، واحدة تلو الأخرى. بيتر بهروزي ، أستاذ مساعد في مرصد UW Steward ، وفريقه تغلبوا على هذه العقبة بتوليد الملايين من الأكوان المختلفة على حاسوب فائق ، كل منها أطاع نظريات فيزيائية مختلفة لكيفية تشكيل المجرات.
تتحدى النتائج المنشورة في "النشرات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية" الأفكار الأساسية حول الدور الذي تلعبه المادة المظلمة في تكوين المجرات ، وكيف تتطور المجرات مع مرور الوقت ، وكيف تلد النجوم.
وقال بهروزي ، المؤلف الرئيسي للدراسة: "على الكمبيوتر ، يمكننا إنشاء أكوان مختلفة ومقارنتها بالكون الفعلي ، وهذا يتيح لنا أن نستنتج القواعد التي تؤدي إلى تلك التي نراها".
تعتبر هذه الدراسة أول من يخلق أكوانًا متسقة ذاتيًا ، وهي نُسخ متماثلة تمامًا للواحدة الحقيقية: المحاكاة الحاسوبية التي يمثل كل منها جزءًا كبيرًا من الكون الفعلي ، الذي يحتوي على 12 مليون مجرة ويمتد الوقت من 400 مليون سنة بعد الانفجار الكبير وحتى يومنا هذا.
تم وضع كل "Ex-Machina" في سلسلة من الاختبارات لتقييم كيفية ظهور مجرات مماثلة في الكون المتولد مقارنة بالكون الحقيقي. الأكوان الأكثر شبهاً بكوننا جميعها كانت لديها قواعد فيزيائية متشابهة ، مما يدل على نهج جديد قوي لدراسة تكوين المجرات.
ساعدت النتائج التي توصل إليها "UniverseMachine" ، كما يسميها المؤلفون مقاربتهم ، في حل التناقض القائم منذ زمن طويل حول سبب توقف المجرات عن تكوين نجوم جديدة حتى عندما يحتفظون بالكثير من غاز الهيدروجين ، وهي المادة الخام التي يتم تزوير النجوم منها.
تتضمن الأفكار الشائعة حول كيفية تكوين المجرات نجومًا تفاعلًا معقدًا بين انهيار الغاز البارد تحت تأثير الجاذبية إلى جيوب كثيفة تؤدي إلى ظهور النجوم ، بينما تتصدى العمليات الأخرى لتشكيل النجوم.
على سبيل المثال ، يعتقد أن معظم المجرات تحتوي على ثقوب سوداء هائلة في مراكزها. تشع المادة التي تسقط في هذه الثقوب السوداء بالطاقات الهائلة ، حيث تعمل كمفخِّرات كونية تمنع الغاز من البرودة بدرجة كافية لتتحول إلى مشاتل نجمية. وبالمثل ، فإن النجوم التي تنهي حياتهم في انفجارات السوبرنوفا تسهم في هذه العملية. تلعب المادة المظلمة أيضًا دورًا كبيرًا ، حيث إنها توفر لمعظم قوة الجاذبية التي تعمل على المادة المرئية في المجرة ، حيث تقوم بسحب الغاز البارد من محيط المجرة وتسخينها أثناء العملية.
"عندما نعود في وقت مبكر وفي وقت مبكر من الكون ، نتوقع أن تكون المادة المظلمة أكثر كثافة ، وبالتالي يصبح الغاز أكثر حرارة وسخونة. هذا أمر سيء لتشكيل النجوم ، لذلك كنا نعتقد أن العديد من المجرات في وقت مبكر وقال بهروزي "كان يجب أن يتوقف الكون عن تكوين النجوم منذ زمن طويل". "ولكن وجدنا العكس: كانت المجرات ذات حجم معين أكثر عرضة لتشكيل النجوم بمعدل أعلى ، على عكس التوقع".
أوضح بهروزي أنه من أجل مطابقة ملاحظات المجرات الفعلية ، كان على فريقه إنشاء أكوان افتراضية كان العكس هو الحال فيها - أكوان احتفظت فيها المجرات بزخارف النجوم لفترة أطول بكثير.
من ناحية أخرى ، إذا ابتكر الباحثون أكوانًا تستند إلى نظريات حالية لتكوين المجرات - أكوان توقفت فيها المجرات عن تكوين النجوم في وقت مبكر - بدت تلك المجرات أكثر احمرارًا من المجرات التي نراها في السماء.
المجرات تبدو حمراء لسببين. الأول واضح في الطبيعة ويتعلق بعمر المجرة - إذا تشكلت في وقت مبكر من تاريخ الكون ، فسوف تتحرك بسرعة أكبر ، وتحول الضوء إلى الطيف الأحمر. علماء الفلك استدعاء هذا التأثير الانزياح نحو الأحمر. السبب الآخر جوهري: - إذا توقفت المجرة عن تكوين النجوم ، فسوف تحتوي على عدد أقل من النجوم الزرقاء ، والتي عادة ما تموت في وقت أقرب ، وتترك مع النجوم الأكبر سنا والأكثر احمرارا.
وقال بهروزي "لكننا لا نرى ذلك". "إذا تصرفت المجرات كما ظننا وتوقفت عن تكوين النجوم في وقت مبكر ، فسيكون لوننا الفعلي خاطئًا. وبعبارة أخرى ، نحن مجبرون على الاستنتاج بأن المجرات شكلت النجوم بشكل أكثر كفاءة في الأوقات المبكرة مما كنا نظن. وهذا ما يخبرنا به. هو أن الطاقة الناتجة عن الثقوب السوداء الفائقة والنجوم المتفجرة أقل كفاءة في تكوين النجوم الخانقة مما توقعت نظرياتنا ".
وفقا ل Behroozi ، وخلق الأكوان وهمية من الامم المتحدةيتطلب التعقيد السابق اتباع نهج جديد تمامًا لا يقتصر على قوة الحوسبة والذاكرة ، ويوفر دقة كافية لتمتد المقاييس من الأجسام "الفردية" الصغيرة مثل المستعرات الأعظم إلى جزء كبير من الكون الذي يمكن ملاحظته.
وأوضح أن "محاكاة مجرة واحدة تتطلب 10 إلى 48 عملية حسابية". "لم تتمكن كل أجهزة الكمبيوتر على الأرض مجتمعة من القيام بذلك في غضون مائة عام. لذا ، لمجرد محاكاة مجرة واحدة ، ناهيك عن 12 مليون ، كان علينا القيام بذلك بطريقة مختلفة."
بالإضافة إلى استخدام موارد الحوسبة في مركز أبحاث Ames التابع لناسا و Leibniz-Rechenzentrum في Garching ، ألمانيا ، استخدم الفريق جهاز الكمبيوتر العملاق "Ocelote" في مجموعة UA High Performance Computing. قام 2000 معالج بمعالجة البيانات في وقت واحد على مدار ثلاثة أسابيع. خلال المشروع البحثي ، أنتج بهروزي وزملاؤه أكثر من 8 ملايين من الأكوان.
"لقد أخذنا العشرين سنة الماضية من الملاحظات الفلكية وقارناها بملايين الأكوان الوهمية التي أنشأناها" ، أوضح بهروزي. "قمنا بتجميع الآلاف من المعلومات لنرى أي منها متطابق. هل كان الكون الذي أنشأناه يبدو صحيحًا؟ إذا لم يكن الأمر كذلك ، فسنعود ونجري تعديلات ونتحقق مرة أخرى."
لفهم كيفية ظهور المجرات ، يخطط بهروزي وزملاؤه لتوسيع جهاز UniverseMachine ليشمل مورفولوجيا المجرات الفردية وكيف تتطور أشكالها بمرور الوقت.
شارك في تأليف كتاب "UNIVERSEMACHINE: العلاقة بين Galaxy Galaxy Growth و Dark Matter Halo Assembly from z = 0-10" ، من تأليف Risa Wechsler من جامعة ستانفورد ، وأندرو هارين في مختبر أرجون الوطني ، وتشارلي كونروي بجامعة هارفارد. تم توفير التمويل من قبل ناسا والمؤسسة الوطنية للعلوم ومعهد ميونيخ لفيزياء الفلك والجسيمات.
من خلال إنشاء ملايين الأكوان الافتراضية ومقارنتها بملاحظات المجرات الفعلية ، اكتشف الباحثون اكتشافات تقدم طريقة جديدة قوية لدراسة تكوين المجرات.
كيف المجرات مثل درب التبانة لدينا حيز الوجود؟ كيف تنمو وتتغير مع مرور الوقت؟ ظل العلم وراء تكوين المجرة لغزًا لعقود من الزمان ، لكن فريق العلماء الذي تقوده جامعة أريزونا يقترب خطوة واحدة من إيجاد الإجابات بفضل عمليات المحاكاة العملاقة.
لا يمكن مراقبة المجرات الحقيقية في الفضاء إلا توفير لقطات في الوقت المناسب ، لذلك يتعين على الباحثين الذين يرغبون في دراسة كيفية تطور المجرات على مدى مليارات السنين العودة إلى محاكاة الكمبيوتر. تقليديا ، استخدم علماء الفلك هذا النهج لابتكار واختبار نظريات جديدة لتكوين المجرة ، واحدة تلو الأخرى. بيتر بهروزي ، أستاذ مساعد في مرصد UW Steward ، وفريقه تغلبوا على هذه العقبة بتوليد الملايين من الأكوان المختلفة على حاسوب فائق ، كل منها أطاع نظريات فيزيائية مختلفة لكيفية تشكيل المجرات.
تتحدى النتائج المنشورة في "النشرات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية" الأفكار الأساسية حول الدور الذي تلعبه المادة المظلمة في تكوين المجرات ، وكيف تتطور المجرات مع مرور الوقت ، وكيف تلد النجوم.
وقال بهروزي ، المؤلف الرئيسي للدراسة: "على الكمبيوتر ، يمكننا إنشاء أكوان مختلفة ومقارنتها بالكون الفعلي ، وهذا يتيح لنا أن نستنتج القواعد التي تؤدي إلى تلك التي نراها".
تعتبر هذه الدراسة أول من يخلق أكوانًا متسقة ذاتيًا ، وهي نُسخ متماثلة تمامًا للواحدة الحقيقية: المحاكاة الحاسوبية التي يمثل كل منها جزءًا كبيرًا من الكون الفعلي ، الذي يحتوي على 12 مليون مجرة ويمتد الوقت من 400 مليون سنة بعد الانفجار الكبير وحتى يومنا هذا.
تم وضع كل "Ex-Machina" في سلسلة من الاختبارات لتقييم كيفية ظهور مجرات مماثلة في الكون المتولد مقارنة بالكون الحقيقي. الأكوان الأكثر شبهاً بكوننا جميعها كانت لديها قواعد فيزيائية متشابهة ، مما يدل على نهج جديد قوي لدراسة تكوين المجرات.
ساعدت النتائج التي توصل إليها "UniverseMachine" ، كما يسميها المؤلفون مقاربتهم ، في حل التناقض القائم منذ زمن طويل حول سبب توقف المجرات عن تكوين نجوم جديدة حتى عندما يحتفظون بالكثير من غاز الهيدروجين ، وهي المادة الخام التي يتم تزوير النجوم منها.
تتضمن الأفكار الشائعة حول كيفية تكوين المجرات نجومًا تفاعلًا معقدًا بين انهيار الغاز البارد تحت تأثير الجاذبية إلى جيوب كثيفة تؤدي إلى ظهور النجوم ، بينما تتصدى العمليات الأخرى لتشكيل النجوم.
على سبيل المثال ، يعتقد أن معظم المجرات تحتوي على ثقوب سوداء هائلة في مراكزها. تشع المادة التي تسقط في هذه الثقوب السوداء بالطاقات الهائلة ، حيث تعمل كمفخِّرات كونية تمنع الغاز من البرودة بدرجة كافية لتتحول إلى مشاتل نجمية. وبالمثل ، فإن النجوم التي تنهي حياتهم في انفجارات السوبرنوفا تسهم في هذه العملية. تلعب المادة المظلمة أيضًا دورًا كبيرًا ، حيث إنها توفر لمعظم قوة الجاذبية التي تعمل على المادة المرئية في المجرة ، حيث تقوم بسحب الغاز البارد من محيط المجرة وتسخينها أثناء العملية.
"عندما نعود في وقت مبكر وفي وقت مبكر من الكون ، نتوقع أن تكون المادة المظلمة أكثر كثافة ، وبالتالي يصبح الغاز أكثر حرارة وسخونة. هذا أمر سيء لتشكيل النجوم ، لذلك كنا نعتقد أن العديد من المجرات في وقت مبكر وقال بهروزي "كان يجب أن يتوقف الكون عن تكوين النجوم منذ زمن طويل". "ولكن وجدنا العكس: كانت المجرات ذات حجم معين أكثر عرضة لتشكيل النجوم بمعدل أعلى ، على عكس التوقع".
أوضح بهروزي أنه من أجل مطابقة ملاحظات المجرات الفعلية ، كان على فريقه إنشاء أكوان افتراضية كان العكس هو الحال فيها - أكوان احتفظت فيها المجرات بزخارف النجوم لفترة أطول بكثير.
من ناحية أخرى ، إذا ابتكر الباحثون أكوانًا تستند إلى نظريات حالية لتكوين المجرات - أكوان توقفت فيها المجرات عن تكوين النجوم في وقت مبكر - بدت تلك المجرات أكثر احمرارًا من المجرات التي نراها في السماء.
المجرات تبدو حمراء لسببين. الأول واضح في الطبيعة ويتعلق بعمر المجرة - إذا تشكلت في وقت مبكر من تاريخ الكون ، فسوف تتحرك بسرعة أكبر ، وتحول الضوء إلى الطيف الأحمر. علماء الفلك استدعاء هذا التأثير الانزياح نحو الأحمر. السبب الآخر جوهري: - إذا توقفت المجرة عن تكوين النجوم ، فسوف تحتوي على عدد أقل من النجوم الزرقاء ، والتي عادة ما تموت في وقت أقرب ، وتترك مع النجوم الأكبر سنا والأكثر احمرارا.
وقال بهروزي "لكننا لا نرى ذلك". "إذا تصرفت المجرات كما ظننا وتوقفت عن تكوين النجوم في وقت مبكر ، فسيكون لوننا الفعلي خاطئًا. وبعبارة أخرى ، نحن مجبرون على الاستنتاج بأن المجرات شكلت النجوم بشكل أكثر كفاءة في الأوقات المبكرة مما كنا نظن. وهذا ما يخبرنا به. هو أن الطاقة الناتجة عن الثقوب السوداء الفائقة والنجوم المتفجرة أقل كفاءة في تكوين النجوم الخانقة مما توقعت نظرياتنا ".
وفقا ل Behroozi ، وخلق الأكوان وهمية من الامم المتحدةيتطلب التعقيد السابق اتباع نهج جديد تمامًا لا يقتصر على قوة الحوسبة والذاكرة ، ويوفر دقة كافية لتمتد المقاييس من الأجسام "الفردية" الصغيرة مثل المستعرات الأعظم إلى جزء كبير من الكون الذي يمكن ملاحظته.
وأوضح أن "محاكاة مجرة واحدة تتطلب 10 إلى 48 عملية حسابية". "لم تتمكن كل أجهزة الكمبيوتر على الأرض مجتمعة من القيام بذلك في غضون مائة عام. لذا ، لمجرد محاكاة مجرة واحدة ، ناهيك عن 12 مليون ، كان علينا القيام بذلك بطريقة مختلفة."
بالإضافة إلى استخدام موارد الحوسبة في مركز أبحاث Ames التابع لناسا و Leibniz-Rechenzentrum في Garching ، ألمانيا ، استخدم الفريق جهاز الكمبيوتر العملاق "Ocelote" في مجموعة UA High Performance Computing. قام 2000 معالج بمعالجة البيانات في وقت واحد على مدار ثلاثة أسابيع. خلال المشروع البحثي ، أنتج بهروزي وزملاؤه أكثر من 8 ملايين من الأكوان.
"لقد أخذنا العشرين سنة الماضية من الملاحظات الفلكية وقارناها بملايين الأكوان الوهمية التي أنشأناها" ، أوضح بهروزي. "قمنا بتجميع الآلاف من المعلومات لنرى أي منها متطابق. هل كان الكون الذي أنشأناه يبدو صحيحًا؟ إذا لم يكن الأمر كذلك ، فسنعود ونجري تعديلات ونتحقق مرة أخرى."
لفهم كيفية ظهور المجرات ، يخطط بهروزي وزملاؤه لتوسيع جهاز UniverseMachine ليشمل مورفولوجيا المجرات الفردية وكيف تتطور أشكالها بمرور الوقت.
شارك في تأليف كتاب "UNIVERSEMACHINE: العلاقة بين Galaxy Galaxy Growth و Dark Matter Halo Assembly from z = 0-10" ، من تأليف Risa Wechsler من جامعة ستانفورد ، وأندرو هارين في مختبر أرجون الوطني ، وتشارلي كونروي بجامعة هارفارد. تم توفير التمويل من قبل ناسا والمؤسسة الوطنية للعلوم ومعهد ميونيخ لفيزياء الفلك والجسيمات.
تعليقات
إرسال تعليق