پل ام. ساتر یک اخترفیزیکدان در رویاها Stony Brook and the Flatiron Institute، میزبان برنامه "از فضانورد بپرس" و "رادیو فضایی، "و نویسنده"چگونه در فضا بمیریم" ساتر در این مقاله مشارکت داشت آرای کارشناسان از Space.com: Op-Ed & Insights.
چگونه نظریه های جهان را آزمایش می کنید؟ با ساخت ابررایانه های غول پیکر و شبیه سازی تکامل فضا.
تیمی از دانشمندان ژاپنی بزرگترین شبیه سازی فضایی تا به امروز را ساخته اند که شامل ذرات کوچک "شبح" به نام نوترینو است. برای کشف یکی از بزرگترین رازهای حل نشده فیزیک، محققان از 7 میلیون هسته پردازشگر عظیم برای حل تکامل 330 میلیارد ذره و یک شبکه محاسباتی 400 تریلیون واحدی استفاده کردند.
بدون شک مهمترین شکل ماده در جهان هستی است ماده تاریک. ما مطمئن نیستیم که چیست یا از چه چیزی ساخته شده است، اما می دانیم که تعداد زیادی از آن وجود دارد. حدود 80 درصد کل مواد را تشکیل می دهد. ماده باریون - ماده‌ای که ستارگان، سیارات و تنوع غنی کل جدول تناوبی را می‌سازد - تنها بخش کوچکی از کل ماده در جهان را تشکیل می‌دهد.
متصل: همه باریون ها کجا رفتند؟
ماده تاریک ستون فقرات فضا را تشکیل می دهد. میلیاردها سال پیش هیچ ساختاری در جهان وجود نداشت. تمام ماده - تاریک یا غیر آن - به طور مساوی توزیع شده بود و اصلاً توده نبود. فقط تغییرات زیادی در چگالی از مکانی به مکان دیگر وجود نداشت. در مجموع، این جهان بسیار خسته کننده بود.
اما با گذشت زمان، جهان هستی جالب‌تر شد. تفاوت های کوچکی در چگالی ناشی از نوسانات کوانتومی میکروسکوپی در ثانیه های اولیه وجود داشت. مهبانگ. سایت هایی با تراکم کمی بالاتر کمی بیشتر داشتند جاذبه زمین، و آنجا بود که ماده تاریک شروع به جمع شدن کرد. همانطور که این ساختارهای اولیه جوانه زدند، مواد بیشتری را جذب کردند. برای میلیاردها سال، این فرآیند مناطق وسیعی از فضا را خالی کرده است - که اکنون به آن معروف است شکاف های فضایی - کشیدن همه چیز به شبکه گسترده ای از خوشه ها، دیوارها و رشته ها.
و سپس نوترینوها هستند، ذرات بسیار کوچکی که تقریباً هیچ جرمی ندارند. در واقع، آنها کمتر از 0.1٪ از کل جرم در جهان را تشکیل می دهند. اما این ذرات ریز تأثیر زیادی بر تکامل ساختارها دارند. آنها سریع - واقعا سریع - می توانند تقریباً به آنجا سفر کنند سرعت نور. این سرعت باورنکردنی تشکیل ساختارهای بزرگ مانند کهکشان ها و خوشه ها را کاهش می دهد.
در حالی که ماده تاریک می‌خواهد به انباشته شدن توسط گرانش ادامه دهد، نوترینوها خیلی سریع می‌روند تا بنشینند. و اگرچه نوترینوها جرم بسیار کمی دارند، اما هنوز مقداری جرم دارند. آنها می‌توانند از گرانش خود برای تأثیر ضعیف بر رفتار ماده تاریک استفاده کنند، بنابراین از انباشته شدن آن به همان شدت معمول جلوگیری می‌کنند.
به عبارت دیگر، جهان کمی صاف تر از آن چیزی است که بدون نوترینوها وجود دارد.
اسرار کیهان
یافتن توده های سه «طعم» نوترینویی شناخته شده - نوترینوهای الکترونیکی، نوترینوهای میون و نوترینوهای تاو - یک مشکل عمده حل نشده در فیزیک مدرن است. اما از قضا، ما می توانیم جرم این ذرات کوچک را با نقشه برداری از بزرگترین ساختارهای جهان اندازه گیری کنیم.
کیهان شناسان برای درک ماهیت ماده تاریک و نقش نوترینوها در شکل دادن به تکامل کیهانی، اغلب به شبیه سازی های کامپیوتری روی می آورند. اگر جرم نوترینو را در شبیه سازی ها کمی تغییر دهید، نحوه تأثیر نوترینوها بر شکل گیری ساختارها برای میلیاردها سال تغییر خواهد کرد. بنابراین با اندازه گیری همین ساختارها، می توانید درک درستی از جرم نوترینو به دست آورید.
این شبیه‌سازی‌ها معمولاً بخش کوچکی از جهان واقعی را پوشش می‌دهند و با مجموعه‌ای از «ذرات» ماده تاریک شروع می‌شوند که هر ذره نشان‌دهنده مقدار معینی از ماده تاریک است - برای مثال، نقطه‌ای با جرم میلیون‌ها برابر بیشتر از جرم تاریک. خورشید. سپس شبیه‌سازی‌ها این ذرات را به همان صورتی که در جهان اولیه قرار می‌دادند، قرار می‌دهند. شبیه‌سازی‌ها چگونگی تکامل این ذرات را از طریق گرانش متقابل خود دنبال می‌کنند و ساختارهای غول‌پیکری را که امروز می‌بینیم، ایجاد می‌کنند.
این یک روش تقریبی است، زیرا رفتار واقعی ماده تاریک با تعداد محدودی از ذرات نشان داده می‌شود، اما برای ماده تاریک بسیار خوب عمل می‌کند. شبیه سازی نوترینوها به دلیل سرعت مضحک آنها بسیار دشوارتر است. ردیابی رفتار آنها در شبیه سازی دشوار است زیرا آنها می توانند در مدت زمان کوتاهی از یک سمت شبیه سازی به سمت دیگر حرکت کنند. بنابراین، شبیه‌سازی‌ها نمی‌توانند به نحوه عملکرد نوترینوها و تأثیر آنها بر ماده تاریک بپردازند.
یه موضوع محاسباتی
بنابراین شاید ما نباید تلاش کنیم تا رفتار نوترینو را نزدیک‌تر کنیم. برای ردیابی صحیح تکامل نوترینوها و توضیح رفتار سریع آنها نیازمند حل یک معادله فوق العاده پیچیده است. با این حال، حل این معادله - به نام معادله ولاسوف به نام آناتولی ولاسوف فیزیکدان روسی - به منابع محاسباتی عظیمی نیاز دارد.
تیمی از دانشمندان ژاپنی دقیقاً این کار را انجام دادند: آنها از 7 میلیون پردازنده ابررایانه فوگاکو برای ردیابی تکامل ماده تاریک و تأثیر نوترینوها بر تشکیل ساختارها استفاده کردند. محقق در بزرگترین شبیه سازی در نوع خود از 330 میلیارد ذره برای نمایش ماده تاریک و یک شبکه محاسباتی 400 تریلیون مولفه برای نمایش نوترینوها استفاده کرد.
و اگرچه ممکن است معمای جرم نوترینو را حل نکرده باشد، شبیه سازی راه را برای بیش از این هموار می کند. در اصل، این شبیه‌سازی اثبات مفهومی بود تا نشان دهد که اکنون می‌توانیم نوترینوها را با دقت بیشتری از همیشه در شبیه‌سازی‌ها بگنجانیم. با استفاده از این فناوری جدید، شبیه‌سازی‌های آینده پنجره‌ای را به روی نقش نوترینوها در جهان باز می‌کند و حتی ممکن است کلیدی برای باز کردن قفل جرم آنها آشکار کند.
سند این تیم اخیرا در سرور پیش چاپ منتشر شده است arXiv، و تو می توانی شبیه سازی را اینجا ببینید.
ما را دنبال کنید در توییتر @Spacedotcom و غیره فیس بوک.