قام فريق من علماء الفيزياء الفلكية بتوليد 8 ملايين كون فريد من نوعه داخل حاسوب خارق ، ودعهم يتطورون من مجرد توتس إلى عجائب قديمة. هدفهم؟ لتأكيد الدور الذي تلعبه مادة غير مرئية تسمى المادة المظلمة في حياة الكون منذ الانفجار العظيم وماذا يعني لمصيرنا.
بعد اكتشاف أن كوننا يتكون في الغالب من مادة مظلمة في أواخر الستينيات ، تكهن العلماء بدورها في تكوين المجرات وقدرتها على ولادة نجوم جديدة بمرور الوقت.
وفقًا لنظرية الانفجار العظيم ، لم يمض وقت طويل على ولادة الكون ، أطلق علماء فيزيائيون مادة غير مرئية ومراوغة على المادة المظلمة التي بدأت تتجمع معًا بواسطة قوة الجاذبية في غيوم ضخمة تسمى هالات المادة المظلمة. مع نمو حجم الهالات ، اجتذبت غاز الهيدروجين المتناثر الذي يتخلل الكون ليجتمع معًا ويشكل النجوم والمجرات التي نراها اليوم. في هذه النظرية ، تعمل المادة المظلمة بمثابة العمود الفقري للمجرات ، وتملي كيفية تكوينها ودمجها وتطورها بمرور الوقت.
لفهم أفضل لكيفية تشكيل المادة المظلمة لتاريخ الكون ، قام بيتر بهروزي ، أستاذ مساعد لعلم الفلك في جامعة أريزونا ، وفريقه بإنشاء أكوانه الخاصة باستخدام الكمبيوتر الفائق في المدرسة. عملت معالجات الكمبيوتر التي يبلغ عددها 2000 بدون توقف على مدى ثلاثة أسابيع لمحاكاة أكثر من 8 ملايين عالم فريد. أطاع كل كون بشكل فردي مجموعة فريدة من القواعد لمساعدة الباحثين على فهم العلاقة بين المادة المظلمة وتطور المجرات.
وقال بهروزي في بيان "على الكمبيوتر ، يمكننا إنشاء العديد من الأكوان المختلفة ومقارنتها بالكون الفعلي ، وهذا يتيح لنا استنتاج القواعد التي تؤدي إلى تلك التي نراها".
في حين أن المحاكاة السابقة قد ركزت على نمذجة المجرات المنفردة أو توليد أكوان وهمية بمعلمات محدودة ، فإن UniverseMachine هو الأول من نطاقها. أنشأ البرنامج باستمرار الملايين من الأكوان ، يحتوي كل منها على 12 مليون مجرة ، وسمح لكل منها بالتطور على مدار التاريخ الكامل للكون الحقيقي تقريبًا من 400 مليون سنة بعد الانفجار الكبير حتى يومنا هذا.
وقالت الباحثة في الدراسة ريزا ويشلر ، أستاذ الفيزياء والفيزياء الفلكية بجامعة ستانفورد: "السؤال الكبير هو كيف تتشكل المجرات؟". "الشيء الرائع حقًا في هذه الدراسة هو أنه يمكننا استخدام جميع البيانات التي لدينا عن تطور المجرة - عدد المجرات وعدد النجوم التي تمتلكها وكيف تشكل تلك النجوم - وجمعها معًا في صورة شاملة لآخر 13 مليار سنة من الكون ".
يتطلب إنشاء نسخة طبق الأصل من كوننا ، أو حتى مجرة ، كمية لا يمكن تفسيرها من قوة الحوسبة. لذا ضاق بهروزي وزملاؤه تركيزهم على خاصيتين رئيسيتين للمجرات: كتلة النجوم المتجمعة ومعدل الولادة لمجرات جديدة.
وأوضح بهروزي في إشارة إلى عملية أوكتليون أو 1 تليها 48 أصفار "محاكاة مجرة واحدة تتطلب 10 إلى العمليات الحاسوبية الـ 48". "جميع أجهزة الكمبيوتر على الأرض مجتمعة لم تتمكن من القيام بذلك في مائة عام. لذا لمجرد محاكاة مجرة واحدة ، ناهيك عن 12 مليون ، كان علينا القيام بذلك بشكل مختلف."
مع قيام برنامج الكمبيوتر بتوليد أكوان جديدة ، فإنه يخمن كيف يرتبط معدل تكوين النجوم للمجرة بعمرها ، وتفاعلاتها السابقة مع المجرات الأخرى وكمية المادة المظلمة في هالة. ثم يقارن كل كون بملاحظات حقيقية ، يضبط المعلمات المادية مع كل تكرار لمطابقة الواقع بشكل أفضل. النتيجة النهائية هي كون مطابق تقريبًا لكوننا.
وفقًا لـ Wechsler ، أظهرت نتائجهم أن المعدل الذي تلد فيه المجرات النجوم يرتبط ارتباطًا وثيقًا بكتلة هالات المادة المظلمة. المجرات ذات كتل الهالة من المادة المظلمة الأكثر تشابهًا مع مجرتنا درب التبانة لديها أعلى معدلات تكوين النجوم. وأوضحت أن تكوين النجوم يخنق في المجرات الأكثر كثافة بوفرة من الثقوب السوداء
كما تحدت ملاحظاتهم المعتقدات الراسخة بأن المادة المظلمة خنق تشكيل النجوم في الكون المبكر.
"عندما نعود في وقت سابق وأقدم في الكون ، نتوقع أن تكون المادة المظلمة أكثر كثافة ، وبالتالي يصبح الغاز أكثر سخونة وأكثر سخونة. هذا سيء لتكوين النجوم ، لذلك اعتقدنا أن العديد من المجرات في وقت مبكر قال بهروزي "كان يجب ان يتوقف الكون عن تكوين النجوم منذ زمن طويل". "لكننا وجدنا العكس: من المرجح أن تشكل المجرات ذات حجم معين نجومًا بمعدل أعلى ، على عكس التوقعات".
الآن ، يخطط الفريق لتوسيع UniverseMachine لاختبار المزيد من الطرق التي قد تؤثر بها المادة المظلمة على خصائص المجرات ، بما في ذلك كيفية تطور أشكالها ، وكتلة الثقوب السوداء ، وعدد المرات التي تتحول فيها نجومها إلى مستعر أعظم.
"بالنسبة لي ، الشيء الأكثر إثارة هو أن لدينا الآن نموذجًا حيث يمكننا البدء في طرح كل هذه الأسئلة في إطار عمل ناجح" ، قال Wechsler. "لدينا نموذج غير مكلف بما فيه الكفاية من الناحية الحسابية ، بحيث يمكننا في الأساس حساب كون كامل في حوالي ثانية. ثم يمكننا تحمل ذلك ملايين المرات واستكشاف كل مساحة المعلمة."
نشرت مجموعة البحث نتائجها في عدد سبتمبر من مجلة الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
