شبیه‌سازی کامپیوتری به عنوان ابزاری برای پژوهش‌های اخترفیزیکی

شبیه‌سازی کامپیوتری به عنوان ابزاری برای پژوهش‌های اخترفیزیکی

در سالهای اخیر حوزهی اخترفیزیک عددی به یکی از مهمترین بخشهای مطالعات فرازمینی تبدیل شده است. در این مقاله قصد داریم به این موضوع بپردازیم که شبیهسازیهای کامپیوتری به چه کار پژوهشهای اخترفیزیکی و کیهانشناسی میآیند.

علم فیزیک اساساً بر آن است که جهان فیزیکی را با مدلهای ریاضی توصیف کند. در بین بیشمار مدل ممکن برای توصیف یک پدیدهی مشخص، مدلی پذیرفته میشود که قادر به پیشگویی صحیح آن دسته از پدیدههایی باشد که با آن مدل توصیف میشوند. پس تجربه‌پذیری و ابطال‌پذیری اجزای بنیادین هر گزارهی علمی هستند. از سوی دیگر جهان خارج از سیارهی زمین از محدودهی عمل آزمایشگاه‌های ما خارج است. برای مثال ما نمیتوانیم توزیع جرم جهان را تغییر دهیم و چگونگی تغییر ساختارهای موجود کیهان را رصد کنیم. یا نمیتوانیم پارامترهای یک ستاره یا کهکشان را دستکاری کنیم و ببینیم که چگونه تحول مییابند. ابزار تجربهی ما انواع دریافتکنندههای الکترومغناطیسی (یا گرانشی) است که از دور و نزدیک جهان برای ما داده جمعآوری میکنند و برای ما تصویری از کیهان تولید میکنند. کار یک فیزیکدان نظری این است که برای توصیف این دادهها مدلی تولید کند که تحولات اجرام سماوی را درست توصیف کند. سؤال این است که ما چگونه بین مدلهای متعددی که یک پدیدهی واحد را توضیح میدهند یکی را ترجیح دهیم. در دهههای اخیر و با پیشرفت رایانه‌ها، شبیهسازیهای کامپیوتری تبدیل به آزمایشگاه‌های مجازی برای ما شدهاند. ما میتوانیم با استفاده از شبیهسازی، مدلهای خود را آزمایش کنیم و ببینیم که خروجیهای شبیهسازی ما به آنچه که از جهان رصد میکنیم شباهت دارند یا خیر.

از طرف دیگر با رشد ابزارهای رصدی که بازههای متنوع طول موج را با وضوح روزافزون طیفی و فضایی پوشش میدهند، پیچیدگی ذاتی پدیدههای اخترفیزیکی بیشتر آشکار میشود. ما با پدیدههایی سر و کار داریم که مربوط به حوزههایی از فیزیک هستند که قوانینش به خوبی شناخته نشدهاند، مثل درون ستارههای نوترونی. حتی در موارد (از لحاظ فیزیکی) عادیتر، تعداد فرآیندهای فیزیکیِ درگیر بسیار متنوع هستند. از هیدرودینامیک گرفته تا شیمی، فیزیک هستهای، میدانمغناطیسی، فیزیک اتمی و غیره ممکن است در تولید یک پدیدهی واحد مؤثر باشند. درگیری این تعداد بالا از فرآیندهای متنوع فیزیکی منجر به مدلهای بسیار پیچیده میشود. به کار بردن روشهای تحلیلی عمدتا نیازمند استفاده از تقریبهایی برای ساده‌سازی سیستم فیزیکی مورد بررسیاست. در بسیاری از پدیدههای اخترفیزیکی، پیچیدگی ذاتی سیستم، استفاده از روشهای تحلیلی را غیرممکن میکند، زیرا به کاربردن تقریبهای لازم برای حلهای تحلیلی، جوابهای غیرفیزیکی تولید میکنند. به عنوان مثال تولید خوشههای کهکشانی، یا خوشههای ستارهای، یا بررسی مادهی بینستارهای از مواردی هستند که به کاربری روشهای عددی برای فهمشان حیاتیاست.

شکل ۱a: شبکه‌ی لاگرانژ. منبع: https://goo.gl/51BKxX

شکل ۱a: شبکه‌ی لاگرانژ.
منبع: https://goo.gl/51BKxX

شکل ۱b: شبکه‌ی اویلری. منبع: https://goo.gl/51BKxX

شکل ۱b: شبکه‌ی اویلری.
منبع: https://goo.gl/51BKxX

برای شبیهسازی پدیدههای اخترفیزیکی عمدتاً از برنامههای کامپیوتری استفاده میشود که توسط خود پژوهشگران حوزهی اخترفیزیک عددی طراحی شدهاند و در واقع بخشی از کار، برنامهنویسی است. به دلیل تنوع پدیدههای کیهانی صدها کد مختلف توسط پژوهشگران این حوزه استفاده میشود. معمولاً این کدها حاوی واحدهای مختلفی هستند که هر کدام مسئول محاسبه‌‌ی یک اثر فیزیکی است. مثلا واحد شبکهی شیمیایی وظیفهی ردگیری عناصر و مولکولهای مختلف که بر حسب شرایط ترمودینامیکی منطقه‌‌ای و واکنشهای شیمیایی دائماً در حال به‌وجودآمدن و ازبین‌رفتن هستند را به عهده دارد. یا واحد گرانش مسئول محاسبهی برهمکنشهای گرانشی بین اجرام است و مواردی دیگر.  یکی از اصلیترین واحدهای کدهای اخترفیزیکی واحد هیدرودینامیک است. مادهی بین ستارهای و بین کهکشانی سیالی بسیار رقیق و بسیار به‌هم‌فشردنی(۱) و بسیار متلاطم(۲) است که با معادلات مکانیک سیالات توصیف میشود. بسته به نوع معادلات هیدرودینامیک استفاده‌شده (اویلری یا لاگرانژی) عمدهی کدهای حاوی واحد هیدرودینامیک را میتوان به دو دستهی شبکهای(۳) یا هیدرودینامیک ذرات نَرم‌شده(۴)‌ تقسیم کرددستهی اول جعبهی شبیهسازی را به شبکهی ثابتی تقسیم میکند و در هر جعبهی کوچک با استفاده از معادلات هیدرودینامیکی تحول پارامترهایی مثل دما و چگالی و فشار و سرعت ذرات را محاسبه میکند. روش دوم شبکه با سیال حرکت میکند یا به عبارتی سیال را به صورت مجموعهای از ذرات میبیند و برهمکنشرا بین جفت ذرات محاسبه میکند. برای هر ذره یک شعاع در نظر گرفته میشود که طول نرم شدگی(۵) نام دارد و پارامترهای ترمودینامیکی در  این طول مشخصه با یک تابع گوسین نَرم میشوند. چون برهمکنشهای ترمودینامیکی کوتاهبرد هستند برهمکنشها فقط بین ذرات همسایه محاسبه میشوند.

هر کدام از این روشها مزایا و معایب خود را دارند. یک پژوهشگر اخترفیزیک عددی، بر حسب مسئلهای که میخواهد حل کند صورتبندی(۶) عددی خود را انتخاب میکند. عمدتا شبیهسازیهای اخترفیزیکی کدهای بسیار بزرگی هستند که رایانههای عادی توان اجرایشان را ندارند و معمولا بر روی ابررایانهها اجرا میشوند.

 

فیلم بالا (منبع: پروژه‌ی سیلک، https://hera.ph1.uni-koeln.de/~silcc/یکی از نتیجه‌‌های شبیهسازی‌های متنوع پروژه‌ی سیلک یا شبیهسازی چرخهی زندگی ابرهای مولکولی(۷) ‌را نشان می‌دهد و پروژهای‌ است بزرگ و پرهزینه برای فهم مادهی میانستارهای و فرآیندهای بازخوردی ستاره‌‌ای(۸). این ویدئو شبیهسازی یک برش از صفحهی کهکشانی است با ویژگیهای راهشیری برای بررسی اثر ابرنواخترها بر پارامترهای مادهی میانستارهای. در ستون بالا از لبه به صفحهی کهکشانی نگاه میکنید و در ستون پایین از بالا. از چپ به راست چگالی، دما، چگالی ستونی، چگالی هیدروژن یونیزه، چگالی هیدروژن اتمی، چگالی مولکول هیدروژن و مونوکسید کربن نمایش داده میشوند. دو مولکول آخر ردیاب ابرهای پیشستارهای هستند و تشکیل هستههای چگال ابرهای مولکولی که مرحلهی آغازین تشکیل ستارهها هستند در طول زمان شبیهسازی (صد میلیون سالدیده میشود.

(۱) compressible fluid
(۲) turbulent
(۳) grid mesh
(۴) Smoothed Particle Hydrodynamics
(۵) smoothing length
(۶) scheme
(۷) SILCC -Simulating the Life-Cycle of molecular Clouds
(۸) stellar feedback

منبع:
عنوان کتاب: Numerical Methods in Astrophysics: An Introduction
نویسندگان: Peter Bodenheimer, Peter Bodenheimer, Gregory P. Laughlin, Gregory P. Laughlin, Michal Rozyczka, Tomasz Plewa, Harold. W Yorke, Michal Rozyczka, Harold W. Yorke
انتشارات: CRC Press, Tyalor and Francis Group

گردآوری: نسیم تنها

دسته‌ها: مقالات آموزشی

درباره نویسنده

نسیم تنها

دانشجوی دکترای اخترفزيک نظری در دانشگاه کلن آلمان است. نسيم تحصيلات کارشناسی فيزيک را در دانشگاه تهران و تحصيلات کارشناسی ارشد خود را در دانشگاه کلن و در زمينه‌ی کيهانشناسی کوانتومی به انجام رساند. پروژه‌ی اصلی او بررسی بادهای کهکشانی با استفاده از شبيه‌سازی عددی صفحه‌ی کهکشان‌های راه شيری مانند است.

بازتاب‌ها

  1. بادهای ستاره‌ای و ابرنواخترها آهنگ ستاره‌زایی و جریان‌های بیرون‌رونده را در کهکشان چگونه تنظیم می‌کنند؟ | اسطرلاب (StarYab) ۸ شهریور, ۱۳۹۵، ۰۶:۵۲

    […] شبکه‌ای کد فلش ۴(۷)بررسی کرده‌اند (رجوع شود به مقاله‌ی قبلی در رابطه با شبیه‌سازی کامپیوتری). برای این منظور بخشی […]

دیدگاه‌ها

  1. حسن فتاحی
    حسن فتاحی ۱۱ مرداد, ۱۳۹۵، ۱۰:۳۸

    خیلی مقاله ی خوبی بود. مفید و مختصر

    پاسخ به این دیدگاه
  2. پویا
    پویا ۱۷ مرداد, ۱۳۹۵، ۱۴:۱۰

    فوق‌العاده!
    ممنون از شما و گردانندگان این وبسایت خوب و جالب.
    مقاله بسیار گویا و خوبی بود به عنوان مقدمه‌ای برای ورود به این حوزه. (بخصوص برای افرادی مثل من که اطلاعات قبلی در این زمینه ندارند)
    چند سوال هم داشتم؛ آیا جنس ستاره‌ها و اجرام آسمانی از جنس همین ماده میان‌ستاره‌ای است؟
    سوال بعدی‌ام این که در قسمتی اشاره کردید که برای بررسی خواص سیالاتی این مواد از دو روش هیدرودینامیک شبکه‌ای یا هیدرودینامیک ذرات نرم‌شده استفاده می‌شود. با توجه به مشخصاتی که ذکر شده به نظر می‌رسد روش بررسی ذرات نرم شده بیشتر منطبق بر واقعیت موجود سیالات باشد؛ چرا همیشه از اینروش استفاده نمی‌شه یا به عبارت دیگر کاربرد روش شبکه‌ای کجاست؟

    پاسخ به این دیدگاه
    • نسیم تنها
      نسیم تنها نویسنده ۱۸ مرداد, ۱۳۹۵، ۱۲:۴۰

      خیلی ممنون از این که با این همه حوصله و دقت مقاله را خوانده‌اید و خوشحالم که برایتان مفید و قابل فهم بوده‌است.
      سوال اول: بله. بخشی از ماده‌ی بین ستاره‌ای تحت شرایط ترمودینامیکی مشخص، از لحاظ گرانشی به هم مقید می‌شوند و شروع به رمبش (collapse) تحت گرانش خود می‌کنند. این رمبش تا جایی ادامه پیدا می‌کند که دمای مرکز ابر در حال رمبش به حدی بالا می‌رود که هم‌جوشی هسته‌ای رخ دهد و ستاره تولید شود.
      سوال دو: از لحاظ نفس معادلات هیدرودینامیک تفاوت این دو روش مثل تفاوت رفتن از دستگاه مختصات ناظر به دستگاه مختصات نشسته بر روی ذره است. این که برای حل یک مسأله‌ی مشخص از کدام یک استفاده شود فقط بستگی به شرایط مرزی و شکل سیستم و پارامترهای مورد بررسی دارد. اما از لحاظ عددی این دو روش تفاوت‌های زیادی دارند که به نوع فرمول‌بندی و نوع تقریب‌هایی که در روش‌های عددی هر یک به کار می رود ارتباط دارد.. مثلا در روش هیدرودینامیک ذرات نرم شده حضور میدان مغناطیسی مشکل‌زاست و معادلات هیدرودینامیک مغناطیسی در آن بسیار ناپایدار هستند.

      پاسخ به این دیدگاه
  3. کاظم شهابی
    کاظم شهابی ۱۳ تیر, ۱۳۹۶، ۲۳:۰۱

    باسلام ودرودبرشماخانم نسیم اگربخواهیم یک برنامه شبیه سازی یک موتور بانیروی رانش اهن ربابرامون طراحی کننددرایران میتوانیدمارابه شخصی معرفی کنید یا اینکه خودتون برامون انجام بدیدلطفاچنانچه امکان پذیراست راهنمایی لازم رابفرماییدواینکه خیلی برای ماافتخاروغرورافرین است که یک ایرانی باین درجه علمی دردنیارسیده درودبیکران برشماوخانواده محترم

    پاسخ به این دیدگاه

یک دیدگاه بنویسید

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