(اخبار Nanowerk) کهکشان‌ها معمولاً از چندصد میلیارد ستاره تشکیل شده‌اند که انواع مختلف شکل‌ها و ابعاد را به نمایش می‌گذارند. شکل‌گیری کهکشان‌ها یکی از پیچیده‌ترین مسائل اخترفیزیک بوده است. دانشمندان مؤسسه مطالعات نظری هایدلبرگ (HITS) با همکاری تیمی بین‌المللی متشکل از دانشمندان MIT، دانشگاه هاروارد و سایر نهادها موفق به شبیه‌سازی فیزیک شکل‌گیری کهکشان‌ها در منطقه‌ای وسیع از فضا با دقتی بسیار بالا شدند.

آن‌ها محاسباتی را که برای بار اول به ترکیب واقع گرایانه‌ای از کهکشان‌های بیضوی و مارپیچی منتهی شده بود، در نشریه Nature («ویژگی‌های خلق‌شده کهکشان‌ها با شبیه‌سازی هیدرودینامیک») گزارش کردند. علاوه بر آن، این شبیه‌سازی می‌تواند غلظت عناصر سنگین را (که «فلزات» نیز نامیده می‌شود) در گاز هیدروژن خنثی معین کند. به علاوه، کهکشان‌های شبیه‌سازی شده همان گونه که با رصد مشاهده شده‌ بودند، در فضا توزیع یافته‌اند.

چند نما از شبیه سازی Illustris در مقیاس‌های مختلف

پروژه شبیه سازی «Illustris» بیش از 200 ترابایت داده تولید کرده که لازم است توان بیش از 8000 پردازشگر برای پردازش آن‌ها برای چند ماه به صورت ترکیبی به کار گرفته شود.

این شبیه‌سازی به لطف کدهای AREPO برای شکل‌گیری ساختار کیهانی که در HITS طراحی و ساخته شد و ابررایانه‌های CURIE در فرانسه و SuperMUC در آلمان انجام شد. این جهان مجازی را که دانشمندان آفریدند‏، امکان انواع پیش‌گویی‌های مبتکرانه و هم‌چنین آزمایش نظریات اخترشناسی را در خصوص شکل‌گیری کهکشان‌ها به صورت جامع فراهم می‌کند.

مدل استاندارد کیهان بر این فرضیه استوار است که جهان مملو از اشکال نامعلوم ماده و انرژی است. ما هنوز ماهیت فیزیکی صحیح ماده تاریک و انرژی تاریک را نمی‌شناسیم‏، اما اثر آن‌ها را می‌توانیم به کمک ابررایانه‌ها دریابیم. شبیه‌‌سازی‌های پیشین از جهان هستی شبکه‌ای کیهانی از تراکم موادی را ارائه می کرد که نشان دهنده شباهتی گذرا با توزیع کهکشان‌ها بود. با این حال‏ آن روش‌ها قادر به خلق کهکشان‌های بیضوی و مارپیچ نبودند و سیر تکاملی گازهای بین ستاره‌ای و ستاره‌ها را که پیوند تنگاتنگی با یکدیگر داشتند، در مقیاس کوچک دنبال می‌کرد. کیهان‌شناسان از طریق پروژه بلندپروازانه «Illustris» گام بلندی در راستای پرداختن به این مقوله برداشته‌اند.

در بزرگ‌ترین شبیه‌سازی هیدرودینامیک تشکیل کهکشان‌ها‎‎، 13 میلیارد سال از سیر تکاملی کیهان در مکعبی به ضلع 350 میلیون سال نوری‏ که از 12 میلیون سال بعد از انفجار بزرگ آغاز شده‎، بررسی شده است. در طول این زمان، «سوپ ازلی» متشکل از هیدروژن، گاز هلیم و ماده تاریک در نواحی نسبت به زمینه فراچگال شده است. این نواحی فراچگال به دلیل گرانش به سوی هم کشیده شده‌اند. در نهایت نظام‌های ستاره‌ای بسیار بزرگ ایجاد شده که رشد آن‌ها توسط فعل و انفعالات میان فرایندهای تابشی، موج‌های شوکی هیدرودینامیک، جریان‌های آشوبناک‏، تشکیل ستارگان، انفجار ابرنواخترها و انرژی‌هایی که هنگام گسترش سیاه‌چاله‌های عظیم‌الجثه تأمین‌ می‌شود‏، تنظیم می‌گردد. تیم Illustris توانستند این فرایندهای فیزیکی را به وسیله کد AREPO («E pur si mouve: شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی کیهانی ثابت گالیله‌ای روی مش متحرک») در شبیه‌سازی ابررایانه جدید خود واکاوی کنند. AREPO «کدنویسی مش متحرک» است که جهان تحت شبیه‌سازی‌ را به شبکه‌هایی ثابت تقسیم نمی‌کند‏، بلکه از مشی متحرک و قابل تغییر شکل استفاده می‌کند،‏ که پردازشی دقیق و ویژه را از مقیاس‌هایی با اندازه و جرم مختلف که در هر یک از کهکشان‌ها وجود دارد‏ امکان‌پذیر می‌کند.

شبیه‌سازی اصلی این پروژه بیش از 18 میلیارد ذره و سلول را به خدمت گرفت و میان گستره‌ای پویا از بیش از یک میلیون ذره در هر بعد از فضا ارتباط برقرار کرد. اگر تصویری برای تفکیک جزئیات نسبتاً کوچک آن مورد نیاز باشد، این تصویر باید تفکیک‌پذیری یک میلیون مگاپیکسل داشته باشد. شبیه‌سازی Illustris بیش از 25 ترابایت حافظه مصرف کرد و حجم داده‌های به دست آمده که بیش از 200 ترابایت بود،‏ رکوردی جدید را در کیهان‌شناسی به ثبت رساند. این سیل داده‌ها مطالعه سیر تکاملی حدود 50،000 کهکشان را به همراه ارائه دقیق جزئیات آن‌ها و هم‌چنین پیش‌بینی نظری شکل‌گیری ساختار کیهان‌ با دقتی بالا امکان‌پذیر ساخت.

تصاویری از کهکشان‌های شبیه‌سازی‌شده‏، که بر حسب توالی کلاسیک هابل مرتب شده‌اند (نمودار «دوشاخه تنظیم») برای دسته‌بندی‌های ریخت شناسی

چندین سال کار مقدماتی برای این شبیه‌سازی انجام شده است: برای اولین بار «نمودار مشهور دوشاخه تنظیم» برای شناخت ریخت کهکشان‏ که به ادوین هابل برمی‌گردد‏، را می‌توان به دست آورد.

Mark Vogelsberger (از دانشگاه MIT) اولین نویسنده مطالعه مقدماتی در خصوص Illustris‏ که در نشریه Nature منتشر شد، می‌گوید: «این که شرایط اولیه جهان هستی، چنان‌که بعد از انفجار بزرگ مشاهده شده، واقعاً می‌تواند کهکشان‌هایی با ابعاد و اشکال صحیح تولید کند‏، موضوعی قابل توجه است».

به صورت غیر مستقیم‏ یافته‌ها می‌توانند به صورت تأییدی بر مدل استاندارد کیهان در نظر گرفته شوند.

پروفسور Volker Springel‏ رهبر گروه تحقیقاتی «اخترفیزیک نظری» HITS و نویسنده کد AREPO بیان می‌دارد «در نهایت می‌توانیم مدل‌های قدیمی و غیردقیق از شکل‌گیری کهکشان را کنار گذاشته و نه تنها ماده تاریک را بلکه مواد عادی مرئی دیگر را نیز به دقت بررسی کنیم». او اضافه کرد: «نتایج Illustris تغییری ریشه‌ای در مطالعات نظری شکل‌گیری کهکشان‌ها به وجود آورد».

منبع: Galaxies out of a Supercomputer