پروژه «ایلاستریس»؛ دقیق‌ترین شبیه‌سازی از مدل استاندارد جهان تا امروز

از دوران باستان و شاید حتی قبل از تاریخ تا امروز اندیشمندان تلاش می‌کردند تا دنیای اطراف خود را درک کنند و چگونگی شکل‌گیری و تکامل آن را متوجه شوند. در این مسیر نظریه‌های بسیاری درباره ساختار جهان بیان شده که با افزایش درک ما روزبه‌روز کامل‌تر می‌شود. حالا ما خوشبختانه در دورانی زندگی می‌کنیم که فناوری و علم در طول تمام تاریخ در اوج شکوفایی خود قرار دارد و می‌توانیم با آن تقریبا جوابی برای سوالات بنیادی انسان پیدا کنیم.

مدلی که امروزه منجمان از آن برای توصیف کیهان استفاده می‌کنند، مدل استاندارد کیهانی (The Standard Model of Cosmos) نام دارد. این مدل بیان می‌کند که جرم و انرژی تمام جهان با نوع ناشناخته‌ای از ماده و انرژی در هم آمیخته است که ماده و انرژی تاریک (Dark matter and energy) نامیده می‌شوند. به زبان ساده‌تر، تمام ستاره‌ها، کهکشان‌ها و حتی خود ما جزئی از جرم و انرژی معمولی یا «قابل مشاهده» در جهان هستیم که با جرم و انرژی مرموز و «غیرقابل مشاهده»ای محاصره شده‌ایم.

مدل استاندارد کیهانی صرفا با گفته‌ها به دست نیامده است و شواهد ریاضیاتی و حتی عینی دقیقی آن را تایید می‌کنند.

برای اینکه صحت این مدل را بسنجیم، باید محاسبات و پیش‌بینی‌های دقیقی از شکل‌گیری ساختار جرم و انرژی قابل مشاهده در تمام جهان انجام دهیم. می‌دانیم که ساختار تمام ماده و انرژی قابل مشاهده در شبکه‌ای کیهانی (Cosmic Web) آراسته شده که خود این شبکه از چندین صفحه، رشته و خلا تشکیل شده است. در میان این صفحه‌ها و رشته‌ها، خوشه‌های کهکشانی و ستاره‌ها قرار دارند و ما صرفا درون یکی از سیاره‌های یکی از منظومه‌های یکی از این کهکشان‌ها قرار داریم.

برای سنجش این نظریه‌ها و محاسباتی که تاکنون انجام شده است، پژوهشگران شبیه‌سازی‌هایی انجام داده‌اند تا بتوانند کهکشان‌ها را در واقعی‌ترین حالت ممکن مدلسازی کنند و با تصاویر واقعی از آن‌ها مقایسه کنند.

پروژه «ایلاستریس» (Illustris) مجموعه‌ای از شبیه‌سازی‌های مقیاس بالای کیهانی است که دقیق‌ترین شبیه‌سازی «هیدرودینامیکی» (hydrodynamical) از شکل‌گیری کهکشان‌ها است که تا امروز انجام شده است. این پروژه با همکاری بین‌المللی بین اخترفیزیکدانان در سراسر دنیا انجام می‌شود که برای تهیه این شبیه‌سازی بیش از صد هزار خط کد نوشته‌اند. پروژه ایلاستریس تکامل کیهان را از ۳۰۰ هزار سال پس از مهبانگ (Big Bang) تا ۱۳.۸ میلیارد سال پس از آن نشان می‌دهد. در حال حاضر، این پروژه تلاش می‌کند تا شبیه‌سازی دقیقی از جمعیت کهکشان‌ها و سایر محاسبات هیجان‌انگیر انجام دهد و در آینده نزدیک آن‌ها را منتشر کند.

شبیه‌سازی هیدرودینامیکی کیهانی چیست و به چه دردی می‌خورد؟

مدل ماده تاریک سرد لاندا یا به اختصار لاندا سی‌دی‌ام (Lambda-CDM) در حال حاضر با شواهد عینی از توزیع کهکشان‌ها در مقیاسی بسیار بزرگ در فضا همخوانی دارد. طبق این مدل، جهان امروزی ما از ماده معمولی که فیزیکدانان آن را «باریون» (Baryons) می‌نامند، ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل شده است.

این مدل‌ها با ریاضیاتی محاسبه می‌شوند که فیزیک جهان ما و در واقع قوانین طبیعت را کنترل می‌کنند. با این حال، چنین محاسباتی به قدری پیچیده می‌شود که فقط می‌توان با آزمایش‌هایی خاص و ساده آن را تعریف کرد. حالا ما دنیایی در مقابل چشمانمان داریم که می‌توانیم آن را مشاهده و داده‌هایی از آن دریافت کنیم. با این داده‌ها به راحتی می‌توانیم به طور خاص مدلی از جهان شبیه‌سازی و گذشته آن را مطالعه کنیم.

در دهه‌های گذشته شبیه‌سازی دقیقی از شکل‌گیری تکامل ماده و انرژی تاریک در جهان انجام شده که با موفقیت توانسته‌اند جهان را توصیف کنند. اخیرا این شبیه‌سازی‌ها حدود یک تریلیون (ده به توان ۱۲) ذره ماده تاریک را با نیروهای گرانشی وارد بر آن‌ها مدل کردند.

با این حال، چنین شبیه‌سازی‌هایی که فقط ماده تاریک را توصیف می کند، نمی‌تواند تصویر واضحی از تکامل جهان به ما بدهد. پروژه ایلاستریس تلاش کرده است تا اجزای باریونی (مثل کهکشان‌ها ستاره‌ها سیاهچاله‌ها و یا هر چیز قابل مشاهده دیگری در جهان) را با قوانین حرکت سیالات یا هیدرودینامیک و گرانش شبیه‌سازی کند. با ترکیب این دو داده، پژوهشگران پروژه ایلاستریس توانسته‌اند روشی قابل پیش‌بینی برای تعیین ساختار گذشته جهان و چگونگی شکل‌گیری آن ایجاد کنند.

شبیه‌سازی ایلاستریس چه چیزی به ما یاد می‌دهد؟

قبل از اینکه اخترفیزیکدانان به سراغ بررسی نتیجه نهایی این شبیه‌سازی بروند، باید از صحت و شباهت آن به جهان کنونی مطمئن باشند. از آنجایی که حل چنین مسئله‌ای کار بسیار پیچیده‌ای است، محاسبات عددی هیچ وقت نمی‌تواند پاسخ واقعی به این مسئله در سراسر فضا و زمان ارائه دهد.

دقت این محاسبه‌ها و کوچکترین جزئیاتی که می‌توان از این شبیه‌سازی مشاهده کرد، بسیار محدود است. برای مثال، در ایلاستریس نمی‌توان تولد و مرگ ستاره‌ها را به طور مستقل مشاهده کرد. به همین خاطر، تخمین‌های فیزیکی در چنین محاسباتی بسیار مهم هستند و می‌توانند شکل‌گیری کهکشان‌ها را تحت تاثیر قرار دهند.

تا امروز اخترفیزیکدانان با پروژه ایلاستریس توانسته‌اند که:

• نسبت امروزی ستاره‌ها به ماده تاریک و مقدار تشکیل ستاره‌ها را با تابعی از زمان را با موفقیت به دست آورند.
• میزان گاز هیدروژن، هلیم و فلزات را با داده‌های موجود تطابق دهند و نسبت این عناصر را در ناحیه‌های بدون داده را با دقت خوبی پیش‌بینی کنند.
• تعداد و توزیع کهکشان‌های اقماری (satellite galaxies) را با دقت خوبی به دست آورند و آن‌ها را بررسی کنند.
• تغییرات ساختار داخلی کیهان را با تکامل کهکشان‌ها در طول زمان مطالعه کنند.
• تاثیر ماده معمولی روی ماده تاریک را بررسی کنند.
• شبیه‌سازی دقیقی از تصاویر واقعی کیهان با تلسکوپ‌هایی مثل تلسکوپ فضایی هابل تولید کنند.

هنوز بخش‌های مختلفی از این شبیه‌سازی بررسی نشده است و پژوهشگرانی که با این پروژه همکاری می‌کنند، در تلاش برای بررسی نتیجه‌های هیجان‌انگیز آن هستند.