شبیهسازی ابرکامپیوتری، عدم سازگاری در نحوهٔ خوشهسازی کهکشانها در سراسر کیهان را آشکار میکند
نوشتهٔ جوردن جوزف، خبرنگار Earth.com
شبیهسازی FLAMINGO
تیم FLAMINGO را ساخت؛ مجموعهای که حدود ۳۰۰ میلیارد ذره را از زمانهای اولیه تا به امروز دنبال میکند.
این اجراها ویژگیهای مشاهدهشدهٔ کهکشانها و خوشهها را بازتولید میکنند، ضمن اینکه نمای واضحی از چگونگی رشد ساختارها در طول زمان کیهانی فراهم میسازند.
بهجای اینکه گاز را بهعنوان پسزمینهای اضافه در نظر بگیرد، کد نحوهٔ حرکت سیالات تحت اثر نیروها را مدل میکند و تحول هیدرودینامیک واقعی ماده عادی را شبیهسازی مینماید.
به این معناست که فشار، گرمشدن توسط نور ستارگان و فعالیت سیاهچالهها میتوانند ماده را بهسمتها جابهجا کنند؛ این امر محل تجمع آن و نحوهٔ شکلگیری هالهها را تغییر میدهد.
این کار توسط ایان جی. مککارتی، استاد نجوم نظری در دانشگاه لیورپول جان مورس (LJMU) هدایت شد.
تحقیقات او بر رشد ساختارهای کیهانی و گاز داغ در خوشههای کهکشانی متمرکز است. شبیهسازی FLAMINGO همچنین نوترینوهای ریز و سبک، ذراتی که بهصورت انبوه در فضا عبور میکنند، را در نظر میگیرد؛ چون آنها با حمل انرژی آزاد، رشد ساختارها را اندکی کند میکنند.
افزودن این اثرات به کد این امکان را میدهد که وب کیهانی بههمپیوست، که تحت تأثیر گرانش، فشار گاز و تابش ناشی از ستارگان در حال شکلگیری، منسوب است.
عدد واحدی که کیهانشناسی را به چالش میکشد
برای مقایسهٔ واضح بین نظریه و دادهها، کیهانشناسان از پارامتر S8 استفاده میکنند؛ آماری یکپارچه برای سنجش قوت خوشهسازی ماده در مقیاسهای معمول.
مقدار بالاتر نشاندهنده ساختارهای بزرگتر و درهمپنکیکتر است، در حالی که مقدار پایینتر نمایانگر توزیع صافتر ماده در سراسر آسمان است.
نتایج اخیر لنزینگ از نظرسنجی انرژی تاریک به مقدار کمتری نسبت به مدلهای مبتنی بر نور اولیه اشاره دارد.
در این نقشهها، لنزینگ گرانشی ضعیف—که انحراف جزئی شکلها را بهدلیل جرم میانی ایجاد میکند—نشان میدهد که ماده در اطراف ما چگونه واقعی خوشهسازی میشود.
پیشبینیهای زمان اولیهٔ جهان از تجزیه و تحلیل تابش پسزمینهٔ مایکروویوی کیهانی (نور ضعیفی که از انفجار بزرگ باقی مانده) بهدست میآیند؛ این پیشبینی مقدار بالاتری را میدهد.
این دیدگاه بسیاری از جنبههای نجوم مدرن را در بر میگیرد، بنابراین عدم توافق با نقشههای لنزینگ کهکشانها بهوضوح دیده میشود.
این عدم تطابق یک نام پیدا کرده است: تنش S8، و در تحلیلهای مستقل با استفاده از تلسکوپهای مختلف همچنان پابرجاست.
دانشمندان میخواهند بدانند که آیا این مشکل ریشه در نظریه، در سوگیریهای ظریف اندازهگیری، یا در چیزی کاملاً جدید دارد.
چه کار شد، چه یافته شد
برای کاوش این فاصله، تیم در یک مطالعهٔ اختصاصی، مقدار ماده باریونی (مادهای تشکیلدیده از پروتونها و نوترونها) و بازخوردها را متغیر ساخت و شرایط افراطی را آزمایش کرد.
بادهای ابرنواختی و سیاهچالههای گرسنگی اجازه یافتند تا گاز را جابهجا کنند؛ این کار ساختارها را نسبت به شبیهسازیهای سادهتر سبک یا سنگین میکند.
آنها همچنین جرم نوترینوها را بررسی کردند؛ وزن ریزی که این ذرات شبهشفاهمانند حمل میکنند، چراکه نوترینوهای سنگینتر رشد ساختارها را بهطور قویتری کم میکنند.
در تمام این شاخهها، خوشهسازی شبیهسازیشده همچنان بالاتر از آنچه در نظرسنجیهای لنزینگ امروز مشاهده میشود باقی میماند؛ بنابراین عدم تطابق اصلی دستنخورده میماند.
«من همینجا در سردرگمی هستم. یک احتمال هیجانانگیز این است که این تنش به نقصهای مدل استاندارد کیهانشناسی یا حتی مدل استاندارد فیزیک اشاره میکند.» جووپ شایِه، استاد دانشگاه لیدن و همنویسندهٔ این کار گفت.
آزمایشهای بیشتری لازم است
در مجموع، شواهد نشان میدهند که جهان برای بخش بزرگی از تاریخ خود ساختارش را همانطور که انتظار میرفت شکل داد، اما سپس کمی کمتر از پیشبینی نظریه ساخته شد.
آزمایشهای میانی دوره بهدقت با مدل همراستا هستند، در حالی که نقشههای زمان حاضر نسبت به آن پایه صافتر بهنظر میرسند.
«ما نمیدانیم، که این همان چیزی است که این را اینقدر هیجانانگیز میکند»، مککارتی گفت. او معتقد است که شبیهسازیها اکنون بسیاری از توضیحات آسان را از بین بردهاند و دقیقاً به فیزیکهایی که باید بعداً آزمایش شوند اشاره میکنند.
تیمهای تحقیقاتی در حال ارزیابی گرانش اصلاحشده، نظریههایی که عملکرد گرانش را در مقیاسهای وسیع تغییر میدهند، بههمراه مادهٔ تاریک که میتواند از طریق تعاملات نادر خود را تحریک کند، هستند.
هر دو ایده هنوز باید آزمونهای دقیق در سامانهٔ شمسی را رعایت کنند؛ بنابراین پژوهشگران با احتیاط قدم برمیدارند تا آزمونهای دقیقتری طراحی کنند.
درسهای شبیهسازی FLAMINGO
نظرسنجیهای آینده و بهبود خطوط تجزیهوتحلیل، دقت نقشههای لنزینگ را افزایش میدهند و کارهای نظری متوازی، پیشبینیها و عدمقطعیتها را بهیک تماس واضحتر میرسانند.
یا تصویر استاندارد با مدلسازی بهتر، این تنش را جذب میکند، یا شواهد مجبور میشوند بازنویسی عمیقتری صورت گیرد.
این مطالعه در Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده است.
—–