كشف ألغاز الفلك.. محاكاة الكون العملاق تغطي مليارات السنين الضوئية

يتمثل أكبر الألغاز التي تواجه علماء الفلك والكون، في الأدوار التي تلعبها الجاذبية والتوسع الكوني في تطور الكون.

علماء الكونيات

ولحل هذه الألغاز، يتخذ علماء الفلك وعلماء الكونيات نهجا ذا شقين، يتكون من مراقبة الكون مباشرة لملاحظة هذه القوى أثناء العمل في محاولة لإيجاد حلول نظرية للسلوكيات المرصودة - مثل المادة المظلمة والطاقة المظلمة.

وبين هذين النهجين، يقوم العلماء بنمذجة التطور الكوني باستخدام المحاكاة الحاسوبية لمعرفة ما إذا كانت الملاحظات تتماشى مع التوقعات النظرية. وأحدثها AbacusSummit، وهو مجموعة محاكاة أنشأها مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية التابع لمعهد فلاتيرون (CCA) ومركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية (CfA).

وهذه المجموعة قادرة على معالجة ما يقرب من 60 تريليون جسيم، وهي أكبر محاكاة كونية أنتجت على الإطلاق.

وأعلن مبتكرو AbacusSummit عن مجموعة المحاكاة في سلسلة من الأوراق التي ظهرت في الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية (MNRAS).

عمليات محاكاة 

وتتكون من أكثر من 160 محاكاة، وهي تصور كيف تتصرف الجسيمات في بيئة على شكل صندوق بسبب الجاذبية. وتُعرف هذه النماذج بمحاكاة الجسم N، وهي جوهرية لنمذجة كيفية تفاعل المادة المظلمة مع المادة الباريونية (المعروفة أيضا باسم "المرئية").

وقاد تطوير مجموعة محاكاة AbacusSummit، ليمان جاريسون (زميل باحث في CCA)، ونينا ماكسيموفا ودانيال آيزنشتاين، طالبة الدراسات العليا وأستاذ علم الفلك في CfA (على التوالي).

وشُغّلت عمليات المحاكاة على الكمبيوتر العملاق Summit في منشأة حوسبة القيادة في أوك ريدج (ORLCF) في ولاية تينيسي - تحت إشراف إدارة الطاقة الأمريكية (DoE).

وتعد حسابات N-body، التي تتكون من حساب تفاعل الجاذبية للكواكب والأجسام الأخرى، من بين أعظم التحديات التي تواجه علماء الفيزياء الفلكية اليوم. وجزء مما يجعل الأمر شاقا هو أن كل كائن يتفاعل مع كل كائن آخر، بغض النظر عن مدى تباعدها - فكلما زاد عدد الكائنات قيد الدراسة، زادت التفاعلات التي يجب أخذها في الاعتبار.

وحتى الآن، لا يوجد حل لمشاكل N، حيث تشارك ثلاثة أو أكثر من الأجسام الضخمة، والحسابات المتاحة هي مجرد تقديرات تقريبية. وعلى سبيل المثال، الرياضيات الخاصة بحساب تفاعل الأجسام الثلاثة، مثل نظام النجوم الثنائي والكوكب (المعروفة باسم "مشكلة الأجسام الثلاثة")، لم تُحل بعد.

وتتمثل الطريقة الشائعة في عمليات المحاكاة الكونية في إيقاف الساعة، وحساب القوة الكلية المؤثرة على كل جسم، وتحريك الوقت للأمام ببطء، والمحاكاة.

ومن أجل بحثهم (الذي قادته ماكسيموفا)، صمم الفريق قاعدة الكود الخاصة بهم (تسمى Abacus) للاستفادة من قوة المعالجة المتوازية الخاصة بـ Summit - حيث يمكن إجراء العديد من العمليات الحسابية في وقت واحد.

واعتمدوا أيضا على خوارزميات التعلم الآلي وطريقة عددية جديدة، والتي سمحت لهم بحساب 70 مليون جسيم لكل عقدة/ثانية في الأوقات المبكرة و45 مليون تحديث للجسيمات لكل عقدة/ثانية في الأوقات المتأخرة.

علماء فلك يرصدون تباطؤا غريبا في دوران الأرض.. وتخوفات من حدوث فوضى

استطلاعات المجرات

كما أوضح جاريسون في بيان صحفي صدر مؤخرا عن CCA: "هذا الجناح كبير جدا لدرجة أنه ربما يحتوي على جسيمات أكثر من جميع عمليات محاكاة الجسم Nالأخرى، التي تم تشغيلها معا - على الرغم من أن هذا بيان صعب للتأكد منه. 

وتقدم استطلاعات المجرات خرائط مفصلة للغاية للكون، ونحن بحاجة إلى محاكاة طموحة مماثلة تغطي مجموعة واسعة من الأكوان المحتملة التي قد نعيش فيها. AbacusSummit هو أول مجموعة من عمليات المحاكاة هذه التي تتمتع بالاتساع والدقة للمقارنة مع هذه الملاحظات المذهلة. 

وكانت رؤيتنا هي إنشاء هذا الرمز لتقديم عمليات المحاكاة اللازمة لهذه العلامة التجارية الجديدة الخاصة بمسح المجرات. وكتبنا الرمز لإجراء عمليات المحاكاة بشكل أسرع بكثير وأكثر دقة من أي وقت مضى". 

وبالإضافة إلى التحديات المعتادة، يتطلب تشغيل عمليات محاكاة كاملة لحسابات N-body، أن يتم تصميم الخوارزميات بعناية بسبب كل مساحة تخزين الذاكرة المعنية.