کهکشان‌های مجازی درشبیه‌سازی کیهانی

کهکشان‌های مجازی درشبیه‌سازی کیهانی

نوری که از کهکشان‌های خیلی دوردست تابیده می شود، گاه میلیون‌ها و گاه میلیاردها سال طول می کشد تا به ما برسد. با مطالعه‌ی این نور در طول موج‌های گوناگون، منجمان می‌توانند تحولات کهکشان‌ها را در دوره‌های کیهانی متفاوت بررسی کنند (مراجعه کنید به این مقاله). با وجود استفاده از پیشرفته‌ترین تلسکوپ‌ها نظیر تلسکوپ فضایی هابل، مطالعه‌ی دورترین نقاط عالم با تمام جزییات هنوز با سختی‌ها و اشکالات فراوانی روبرو هست. به این منظور، منجمان با کمک ابر کامپیوترها، نمونه‌های کوچکتری از جهان را شبیه‌سازی می‌کنند تا بتوانند با دقت بیشتری تغییرات و تحولات ساختارهای گوناگون کیهانی را، مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی، از ابتدای پیدایش عالم تا زمان حال بررسی و مطالعه کنند. اساس این شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، همان قوانین فیزیکی هست که دنیای واقعی ما بر آن‌ها استوار است. با افزودن این قوانین، منجمان قادرند که مدل های خود را هرچه بیشتر به جهان واقعی شبیه کنند و در نهایت، نتایج حاصل شده را با داده‌های تجربی به دست آمده از تلسکوپ‌ها مقایسه کنند.

تصویر ۱: بالا(a): نمونه ای از کهکشان‌های شبیه‌سازی شده در انتقال به سرخ صفر. این کهکشان‌ها مشابه کهکشان‌های واقعی در طبقه بندی هابل۴ هستند. کهکشان‌های بیضوی، مارپیچی، و نامنظم به ترتیب در گوشه ی بالا سمت چپ، سمت راست و گوشه‌ی پایین سمت چپ تصویر دیده می‌شوند. پایین، سمت چپ (b): تصویر فراژرف گرفته شده با تلسکوپ فضایی هابل. سمت راست (c): تصویر شبیه‌سازی شده در این پروژه.

تصویر ۱: بالا(a): نمونه ای از کهکشان‌های شبیه‌سازی شده در انتقال به سرخ صفر. این کهکشان‌ها مشابه کهکشان‌های واقعی در طبقه بندی هابل۴ هستند. کهکشان‌های بیضوی، مارپیچی، و نامنظم به ترتیب در گوشه ی بالا سمت چپ، سمت راست و گوشه‌ی پایین سمت چپ تصویر دیده می‌شوند. پایین، سمت چپ (b): تصویر فراژرف گرفته شده با تلسکوپ فضایی هابل. سمت راست (c): تصویر شبیه‌سازی شده در این پروژه.

 

این نوع شبیه‌سازی‌ها به توان محاسباتی بسیار زیاد و الگوریتم‌های بسیار پیچیده محاسباتی نیاز دارند. به همین علت، معمولا چنین شبیه‌سازی‌هایی یا محدود به ساختار های بزرگ مقیاس مثل خوشه‌های کهکشانی هستند، و یا مقیاس‌های بسیار کوچک‌تر مانند یک کهکشان را به نمایش می‌کشند. تا به امروز هیچ شبیه‌سازی کیهانی‌ای قادر نبوده‌ است ویژگی‌های بزرگ مقیاس عالم را به طور همزمان با ویژگی‌های کهکشان‌ها در مقیاس کوچک شبیه‌سازی و پیش‌بینی کند.

اخیرا گروهی از پژوهشگران دانشگاه‌های هاروارد (سی اف ای۱) و ام آی تی با همکاری مرکز مطالعات تئوری هایدلبرگ (هیتس۱)، توانسته‌اند با بهره‌گیری از جدیدترین الگوریتم‌ها و روش‌های محاسبات عددی، معتبرترین و جامع‌ترین شبیه‌سازی کامپیوتری کیهانی را به نام ایلوستریس (Illustris) تولید کنند. این اولین بار است که یک شبیه‌سازی کیهانی قادر است تحولات ماده تاریک و ماده باریونی (ماده مرئی) را از ابتدای عالم تا زمان حال به طور همزمان در مقیاس‌های بزرگ و کوچک مطالعه کند. در این شبیه‌سازی تحولات در مقیاس‌های عظیم مانند توزیع گاز هیدروژن در کیهان، تا ویژگی‌های کهکشان‌ها در مقیاس‌های کوچک مانند فرآیند ستاره‌زایی و پیدایش سیاه‌چاله‌ها، بررسی شده‌ است. در این پروژه، تحولات یک نمونه از جهان به حجم ۱۰۶/۵ مگا پارسک مکعب۲، از ۱۲ میلیون سال بعد از شروع مهبانگ تا زمان حاضر (انتقال به سرخ صفر) مورد بررسی قرار می گیرد. این حجم شبیه سازی شده از جهان، دربرگیرنده ۴۱ هزار و ۴۱۶ کهکشان، با قابلیت تفکیک مقیاس‌هایی به کوچکی ۴۸ پارسک است. یکی از مزیت‌های این پروژه آن است که اثرات ماده تاریک و ماده باریونی به صورت همزمان درنظر گرفته می‌شود، این بر خلاف بسیاری از شبیه‌سازی‌های پیشین است که فقط ماده تاریک را به عنوان ماده اصلی و مؤثر در تحولات کیهانی درنظر می‌گرفتند.

تصویر ۲: فراوانی فلزی، Z، در واحد فراوانی فلزی خورشید، در محور عمودی  بر حسب جرم ستاره‌ای کهکشان در محور افقی کشیده شده است. ناحیه خاکستری و خط سیاه نشان‌دهنده‌ی نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی است که در توافق کامل با نتایج تجربی، نقاط سبز رنگ، هستند.

تصویر ۲: فراوانی فلزی، Z، در واحد فراوانی فلزی خورشید، در محور عمودی بر حسب جرم ستاره‌ای کهکشان در محور افقی کشیده شده است. ناحیه خاکستری و خط سیاه نشان‌دهنده‌ی نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی است که در توافق کامل با نتایج تجربی، نقاط سبز رنگ، هستند.

یکی از نتایج مهم این پروژه بر خلاف پروژه‌های پیشین، این است که این شبیه‌سازی برای اولین بار قادر به تولید کهکشان‌هایی با اشکال ظاهری متنوع (ریخت شناسی۳)، شامل کهکشان‌های آبی رنگ مارپیچی، کهکشا‌‌ن‌های سرخ رنگ بیضوی، و کهکشان‌های نامنظم شده است. در تصویر شماره ۱(بالا)، تعدادی از کهکشان‌های تولید شده نشان داده شده است. ساختار این کهکشان‌های شبیه‌سازی شده بسیار مشابه کهکشان‌هایی است که منجمان در جهان واقعی رصد می‌کنند. کهکشا‌ن‌های که در این پروژه در انتقال به سرخ‌های بالا شبیه‌سازی شده اند بسیار مشابه تصاویر فراژرف تلسکوپ فضایی هابل هستند (تصویر شماره ۱ پایین).

یکی از پارامترهای مهم برای مطالعه‌ی یک کهکشان، میزان فراوانی فلزات۴ آن است. بر طبق مطالعات انجام گرفته روی کهکشان‌های مختلف در انتقال به سرخ‌های متفاوت، منجمان دریافته‌اند که بین فراوانی فلزی و جرم ستاره‌ای کهکشان‌ها رابطه‌ای قوی وجود دارد. بر طبق این مشاهدات، کهکشان‌های پرجرم‌تر، فلزات فراوان‌تری دارند. هیچ یک از شبیه‌سازی‌های کیهانی انجام گرفته تا قبل ازاین پروژه، قادر به اندازه‌گیری صحیح فراوانی فلزی کهکشان‌های شبیه سازی شده‌ی خود نبوده‌اند. اما به دلیل قابلیت تفکیک بالا، پژوهشگران پروژه ایلوستریس توانسته اند که برای کهکشان‌های شبیه‌سازی شده رابطه مشابهی با رابطه تجربی بین جرم ستاره‌ای و فراوانی فلزی به دست بیاورند. در تصویر شماره ۲، محور عمودی بیانگر فراوانی فلزی و محور افقی بیانگر میزان جرم ستاره‌ای هر کهکشان است. ناحیه خاکستری و خط سیاه نشان دهنده‌ی نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی هستند. به وضوح دیده می‌شود که رابطه به دست آمده از شبیه‌سازی (خط سیاه) با نقاط تجربی (نقاط سبز رنگ) هماهنگی دارد.

در پایان، اگرچه این مدل شبیه‌سازی قابلیت بالایی در تولید ساختارهای متفاوت کیهانی در گستره‌ی ابعادی وسیع دارد، اما هنوز سوال‌های بسیاری درباره کیهان وجود دارد که برای یافتن پاسخ مناسب آنها، نیازمند مدل های دقیق‌تر و توان محاسباتی بالاتر هستیم.

۱. CfA , HITS
۲. پارسک یکی از واحدهای اندازه گیری فواصل نجومی است. فاصله‌ی ستاره‌ای که از زمین با اختلاف منظر یک ثانیه قوسی دیده شود، برابر یک پارسک نامیده می‌شود. یک پارسک برابر ۳/۲۶ سال نوری است.
۳. Morphology
۴. در نجوم به تمامی عناصر سنگین‌تر از هلیوم، فلز گفته می شود.
۵. اِدوین هابل برای نخستین بار در سال ۱۹۳۶، کهکشان‌ها را بر حسب شکل ظاهریشان به گروه‌های مارپیچی، بیضوی و نامنظم تقسیم کرد.  

عنوان اصلی مقاله: Properties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation
نویسندگان:M. Vogelsberger, S. Genel, V. Springel, P. Torrey, D. Sijacki, D. Xu, G. Syder, S. Bird, D. Nelson, L. Hernquist
این مقاله در نشریه Nature به چاپ رسیده است.
لینک مقاله اصلی:http://arxiv.org/abs/1405.1418
لینک وبسایت گروه:http://www.illustris-project.org

گردآورنده: آناهیتا علوی
ویراستار: آیرین شیوایی

دسته‌ها: مقالات روز

درباره نویسنده

آناهیتا علوی

دانشجوی دکترا در دانشگاه کالیفرنیا در ریورساید است. او با استفاده از تصاویر تلسکوپهای هابل و کِک، از تکنیک همگرایی گرانشی قوی استفاده می‌کند تا کهکشانهای بسیار کم‌نور را در ابتدای پیدایش کیهان مطالعه کند. تصور می‌شود که این کهکشان‌ها در تحول جهان اولیه تاثیر به سزایی داشته‌اند.

دیدگاه‌ها

  1. شایان
    شایان ۲۹ اردیبهشت, ۱۳۹۳، ۲۳:۳۵

    خیلی جالب بود، ممنون…

    پاسخ به این دیدگاه
  2. مریجی
    مریجی ۳۰ اردیبهشت, ۱۳۹۳، ۱۴:۲۳

    ممنون از در اختیار گذاردن اطلاعات جالب اینچنینی شما …

    پاسخ به این دیدگاه

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*