شبیه‌سازی کامپیوتری به عنوان ابزاری برای پژوهش‌های اخترفیزیکی

0 0 0 0

توسط نسیم تنها , 27 جولای 2016

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، میدان‌ مغناطیسی، 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 بررسی‌ است. 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 بین‌ ستاره‌ای از مواردی هستند که به کاربری روش‌های عددی برای فهمشان حیاتی‌ است.

شکل ۱a: شبکه‌ی لاگرانژ.
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 کرد. دسته‌ی 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 برهم‌کنش‌ را 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 راه‌ شیری 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 سال) دیده می‌شود.