کیهان‌شناسی و ابررایانش؛ بازسازی تاریخ دو میلیارد سال نخست جهان با کمک ۱۵ هزار پردازنده گرافیکی

پژوهشگران با اجرای شبیه‌سازی کیهانی لومینا (Lumina) روی ابررایانه فرانتیر و با استفاده از حدود ۱۵ هزار پردازنده گرافیکی، تاریخ تحول جهان اولیه را بازسازی کردند. این پروژه که از بزرگ‌ترین شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی تابشی کیهان به شمار می‌رود، نشان می‌دهد نخستین کهکشان‌ها و ستاره‌ها نقش اصلی را در یونیده‌سازی هیدروژن ایفا کردند، درحالی‌که سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم با تابش پرانرژی خود، یونیده‌سازی هلیوم را به پایان رساندند.

لومینا؛ بازسازی دو میلیارد سال نخست جهان با ابررایانه

تیمی بین‌المللی از پژوهشگران، از جمله دانشمندانی از مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین، شبیه‌سازی کیهانی لومینا را توسعه داده‌اند؛ پروژه‌ای که نتایج آن در مجله علمی Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده است.

این شبیه‌سازی، حجمی مکعبی با طول هر ضلع ۵۰۰ مگاپارسک را پوشش می‌دهد؛ مقیاسی معادل حدود ۱.۶ میلیارد سال نوری. لومینا تحولات کیهان را در دو میلیارد سال نخست تاریخ آن، از حدود ۴۵ میلیون سال پس از مهبانگ تا انتقال‌به‌سرخ ۳، بررسی می‌کند.

هدف اصلی این پروژه، بازسازی هم‌زمان شکل‌گیری کهکشان‌ها، انتقال تابش در محیط میان‌کهکشانی و فرایند یونیده‌شدن عناصر سبک در جهان اولیه است.

۱۵ هزار پردازنده گرافیکی برای شبیه‌سازی جهان اولیه

اجرای لومینا به توان محاسباتی چشمگیری نیاز داشت. این پروژه روی ابررایانه فرانتیر در آزمایشگاه ملی اوک‌ریج آمریکا اجرا شد و از حدود ۱۵ هزار پردازنده گرافیکی (GPU) و بیش از ۱۰۰ هزار هسته پردازنده مرکزی (CPU) بهره گرفت.

ساختار محاسباتی شبیه‌سازی شامل دو مجموعه با وضوح ۶۰۰۰ در ۶۰۰۰ در ۶۰۰۰ است که در مجموع به نزدیک نیم‌تریلیون عنصر محاسباتی می‌رسد.

بر اساس اطلاعات منتشرشده درباره این پروژه، لومینا در مقایسه با شبیه‌سازی کیهانی IllustrisTNG، وضوحی حدود ۳۰ برابر بیشتر را در حجمی حدود ۱۰۰ برابر بزرگ‌تر فراهم می‌کند.

پژوهشگران همچنین حل‌گر انتقال تابشی را برای معماری AMD HIP بازنویسی کردند. این تغییر، سرعت اجرای کد را در مقایسه با نسخه اولیه مبتنی بر پردازنده‌های مرکزی حدود ۲۰ برابر افزایش داد.

کشف مهم لومینا؛ ستاره‌ها هیدروژن را یونیده کردند، سیاه‌چاله‌ها به سراغ هلیوم رفتند

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های لومینا، مدل‌سازی خودسازگار یونیده‌سازی هیدروژن و هلیوم در یک شبیه‌سازی واحد است. در این روش، اثر تابش بر گاز میان‌کهکشانی و کهکشان‌ها نیز در محاسبات لحاظ می‌شود؛ موضوعی که پیش‌تر معمولاً در قالب مدل‌های جداگانه بررسی می‌شد.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد ستاره‌های نخستین کهکشان‌ها و تابش فرابنفش آن‌ها نقش اصلی را در یونیده‌سازی هیدروژن ایفا کردند.

بر اساس خروجی‌های لومینا، حجم میانی شبیه‌سازی در انتقال‌به‌سرخ حدود ۵.۲ به‌طور کامل یونیده می‌شود، هرچند مقداری هیدروژن خنثی تا حدود انتقال‌به‌سرخ ۴.۷۵ باقی می‌ماند.

در مقابل، یونیده‌سازی هلیوم عمدتاً به تابش پرانرژی ناشی از برافزایش ماده به سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم وابسته بود. این فرایند در حدود انتقال‌به‌سرخ ۳ به پایان می‌رسد.

به این ترتیب، نتایج لومینا از تقسیم نقشی مشخص در تحول جهان اولیه حکایت دارند: ستاره‌ها عامل اصلی یونیده‌سازی هیدروژن بودند و سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم نقش تعیین‌کننده‌ای در یونیده‌سازی هلیوم داشتند.

آیا نتایج شبیه‌سازی با مشاهدات واقعی سازگار است؟

اعتبار یک شبیه‌سازی کیهان‌شناسی تنها به ابعاد محاسباتی آن وابسته نیست؛ پیش‌بینی‌های مدل باید با داده‌های رصدی نیز سازگار باشند.

بر اساس گزارش پروژه، عمق نوری پراکندگی تامسون در لومینا با محدودیت‌های به‌دست‌آمده از داده‌های مأموریت پلانک سازگار است. همچنین، تاریخچه حرارتی محیط میان‌کهکشانی در این شبیه‌سازی با محدودیت‌های رصدی مطابقت دارد.

این سازگاری‌ها نشان می‌دهند که لومینا می‌تواند چارچوبی ارزشمند برای بررسی تاریخ تحول جهان اولیه فراهم کند؛ هرچند تطبیق با چند شاخص رصدی به‌تنهایی به معنای تأیید تمام جزئیات مدل نیست.

نقش تلسکوپ جیمز وب در آزمودن پیش‌بینی‌های لومینا

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) با رصد کهکشان‌های دوردست، اطلاعات ارزشمندی درباره جهان اولیه فراهم می‌کند. در آینده نیز تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن می‌تواند به تکمیل تصویر ما از ساختارهای کیهانی کمک کند.

بااین‌حال، تلسکوپ‌ها عمدتاً وضعیت اجرام را در مقاطع مشخصی از تاریخ کیهان ثبت می‌کنند. شبیه‌سازی‌هایی مانند لومینا این مشاهدات پراکنده را در قالب یک تاریخ فیزیکی پیوسته به یکدیگر مرتبط می‌کنند.

پیش‌بینی‌های این مدل می‌توانند با داده‌های تلسکوپ جیمز وب، بررسی‌های جنگل لایمن-آلفا، طیف اختروش‌ها و اندازه‌گیری‌های آینده تابش ۲۱ سانتی‌متری هیدروژن مقایسه شوند.

چنین مقایسه‌هایی به پژوهشگران کمک می‌کند تا مدل‌های مربوط به شکل‌گیری نخستین کهکشان‌ها، منابع تابش پرانرژی و تحول گاز میان‌کهکشانی را دقیق‌تر ارزیابی کنند.

محدودیت مهم؛ لومینا یک مدل محاسباتی است، نه مشاهده مستقیم

با وجود مقیاس کم‌سابقه لومینا، باید توجه داشت که این پروژه یک شبیه‌سازی رایانه‌ای است، نه تصویری مستقیم از گذشته جهان.

نتایج آن به شرایط اولیه، فرضیات فیزیکی و نحوه مدل‌سازی فرایندهایی مانند تشکیل ستاره‌ها، رشد سیاه‌چاله‌ها و انتقال تابش وابسته‌اند. اگر برخی از این فرضیات با واقعیت سازگار نباشند، خروجی‌های شبیه‌سازی نیز ممکن است دچار خطا شوند.

ازاین‌رو، اهمیت اصلی لومینا در توانایی آن برای تولید پیش‌بینی‌های قابل‌آزمون است؛ پیش‌بینی‌هایی که باید با مشاهدات تلسکوپ‌ها و داده‌های رصدی آینده سنجیده شوند.

جمع‌بندی

شبیه‌سازی لومینا گامی مهم در مدل‌سازی هم‌زمان تحول کهکشان‌ها و یونیده‌سازی هیدروژن و هلیوم در جهان اولیه به شمار می‌رود. این پروژه با استفاده از توان محاسباتی ابررایانه فرانتیر، تصویری یکپارچه از نقش ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در تحول کیهان ارائه می‌کند.

در صورت تأیید پیش‌بینی‌های آن با داده‌های رصدی جدید، لومینا می‌تواند به درک دقیق‌تر چگونگی شکل‌گیری نخستین ساختارهای کیهانی و تحول محیط میان‌کهکشانی کمک کند.