پیشرفت‌های در علوم کامپیوتر به اخترفیزیک‌دانان اجازه می‌دهد تا توزیع کیهانی ماده را از حال حاضر به هر زمان دیگری در تاریخ کیهان برگردانند.

تصویری از یک شبیه‌سازی کامپیوتری که مدلی از تغییرات چگالی ماده و تحولات کهکشان در کیهان را نشان می‌دهد

امروز، کیهان چهل‌تکه‌ای از کهکشان‌هایی است که با رشته­هایی بزرگ از فضای خالی از هم جدا شده‌اند. اما کیهان همیشه این‌گونه نبوده است. اگر به روزهای اول عمر کیهان برگردیم، قبل از این‌که کهکشان‌ها به وجود بیایند، ماده به صورت یکنواخت‌تری نسبت به اکنون در کیهان گسترده شده بود، همانند پتویی که یک بستر تازه‌ساز را می‌پوشاند.

اما این پتو نیز همانند هر لحاف دیگر که به دقت پهن شده باشد، دارای چروک‌های ریزی است که در این‌جا نوسانات چگالی در نقش این چروک‌ها هستند. با گذشت زمان این چین و چروک‌ها تقویت نیز شدند زیرا که گرانش، ماده بیشتر و بیشتری را به مناطق با چگالی کمی بیشتر می‌کشد. محققان می‌توانند از طریق مشاهده تابش ‌زمینه کیهانی (CMB) الگوی چروک‌های اولیه را به دست آورند و همچنین می‌توانند وضعیت فعلی آن‌ها را با رصد کیهان فعلی مشاهده کنند، اما این‌که دقیقا چه اتفاقی در این زمان بین تابش زمینه کیهان و زمان حال می‌افتد، هنوز به صورت یک راز باقی مانده است. اما اکنون سباستین فون هاوزگر Sebastian von Hausegger از دانشگاه آکسفورد انگلستان برونو لوی Bruno Levy از دانشگاه لورن نانسی فرانسه و رویا مهیایی از موسسه اخترفیزیک پاریس مرتبط با دانشگاه سوربن یک روش جدید را برای پیش‌بینی یک توزیع ماده در انتقال به سرخ بالاتر (زمان قدیمی­تر) را با توجه به یک توزیع ماده جدیدتر از آن (از لحاظ زمانی) را توسعه دادند(1). این روش به اخترفیزیک‌دانان این قدرت را می‌دهد که به هر نقطه از تاریخ کیهان برگردند و بهتر بفهمند که کیهان چگونه تکامل یافته است.

این تبدیل کیهان از یک مدل پتوی تشکیل شده از ماده به یک چهل‌تکه از کهکشان‌ها یک تبدیل نرم نبوده است. ابتدا، تقویت چروک‌ها به صورت آرام پیش رفته است. با این‌که چروک‌ها درازتر (چگال‌تر) شدند، اما الگوی میانگین تقریبا به همان شکل باقی مانده است. در یک نقطه مشخص، نواحی با چگالی بیشتر در حدی چگال شدند که آن‌ها ناگهان تحت کشش گرانشی خودشان منقبض شدند. این فرآیند باعث می‌شود که الگوی چروک‌های اولیه محو بشوند.

امروزه کشف الگوی چین و چروک‌های اولیه از طریق موقعیت کهکشان‌ها بسیار سخت است. منجمان این الگو را از طریق CMB به دست می‌آورند، که نشانی از توزیع ماده در کیهان زمانی که حدود 380 هزارسال داشت، می‌دهد. اما CMB فقط بخشی از داستان را می‌گوید، پس سباستین هون هاوزگ و همکارانش مسیر دیگری را برای استخراج الگوی چین و چروک‌های اولیه انتخاب کردند. هون هاوزگ می‌گوید: «با شروع کردن از امروز و برگشت در زمان برای کهکشان‌ها، می‌توانیم اعوجاج‌ها را خنثی کنیم به طوری که می‌توانیم دقیقا میدان چگالی اولیه (کیهان) را بازسازی کنیم و دید بهتری از آن‌چه که بوده است داشته باشیم.»

برای روش آن‌ها، فون هاوزگر و همکارانش به ایده‌ای از ریاضیات که نظریه حمل و نقل بهینه (optimal transport theory) نامیده می‌شود، روی آوردند. این نظریه برای محاسبه بهینه‌ترین مسیر برای حرکت اشیا از یک مکان به مکان دیگر استفاده می‌شود. این نظریه در ابتدا در قرن هجدهم برای حفاری بهینه و حذف خاک از سایت‌های ساختمانی ابداع شد. از آن زمان این نظریه برای مشکلاتی مختلفی از بازگرداندن تصاویر تا یافتن الگوهای پنهان در بافت‌های انسانی به کار گرفته شده است. محاسبات در مقیاس بزرگ با استفاده از این نظریه زمان‌بر هستند، اما پیشرفت‌های اخیر در علوم کامپیوتر، به خصوص یک میان‌بر که توسط یکی از همکاران هون هاوزگ ابداع شد، به این نظریه اجازه داد تا به طور موثرتری بر روی کامپیوترها پیاده‌سازی شود.

برای نشان دادن کارآمدی این روش، این تیم از یک شبیه‌سازی کامپیوتری کیهان استفاده کردند که تحولات زمانی ویژگی‌های بزرگ مقیاس در توزیع ماده را بازتولید کند. آن‌ها تصویر کیهان در شبیه سازی را در انتقال به سرخ پایین که کیهان امروزی را نشان می‌دهد انتخاب کرده اند. آن‌ها سپس این تصویر شبیه‌سازی را در الگوریتم خود قرار داده اند و رو به گذشته الگوریتم را اجرا کردند تا پیش‌بینی کنند که جهان شبیه‌سازی شده در اولین روزهایش چگونه به نظر می‌رسیده است. سپس توزیع ماده پیش‌بینی شده برای زمان‌های اولیه را با عکس فوری زمان اولیه از شبیه‌سازی مقایسه کردند. فون هاوزگر می‌گوید: «ما در اساس در حال انجام یک بازی هستیم که در آن وانمود می‌کنیم که نمی‌دانستیم که اوضاع در زمان‌های اولیه چگونه بوده است».

برای مقایسه خود، این تیم از تصاویر پیش‌بینی شده و شبیه‌سازی شده مجموعه‌ای از تغییرات تباین چگالی بسیار ضعیف، اما با فیزیک کاملا مشخص، که نوسانات صوتی باریونی (BAO) نامیده می‌شوند، استخراج کردند. فون هاوزگر می‌گوید: «مقیاس طول برجسته این تغییرات می‌تواند از طریق مدل‌های کیهان‌شناسی اندازه‌گیری شود و آن را به یک معیار خوب برای آزمایش تبدیل کند. برای هر دو تصویر، آن‌ها مقدار یکسانی را با دقت بسیار بالایی یافتند که نشان‌دهنده این است که روش آن‌ها جواب داده است».

راوی شث Ravi Sheth، اخترفیزیک‌دان در دانشگاه پنسیلوانیا، می‌گوید: «بازسازی ویژگی‌ BAO با دقت بی‌سابقه‌ای انجام می‌شود» راوی شت هم‌اکنون به همراه دو محقق دیگر این مطالعه، برونو لوی از دانشگاه لورن فرانسه و رویا مهیایی از موسسه اخترفیزیک پاریس فرانسه، بر روی قدم‌های بعدی این روش کار می‌کنند. شث می‌گوید که نکته عالی در مورد این تحقیق و روش پیشنهادی این است که فرضیه‌های ساده‌ای استفاده می‌کند که همه با آن‌ها موافقند.

ترجمه خبر: مرتضی شاکر آرانی

منابع:

1- وبگاه APS

2- S. von Hausegger et al., “Accurate baryon acoustic oscillations reconstruction via semidiscrete optimal transport,” Phys. Rev. Lett. 128, 201302 (2022)