Kozmik bir kek nasıl pişirilir
Bilim adamları yıllardır evrenin görünüşünü tanımlamaya çalışıyorlar, ilk başta hayal gücüne ve mantığa güveniyorlardı.Süper bilgisayarların gelişmesiyle birlikte bilim adamları evrenin görünüşünü bilgisayar modelleri aracılığıyla öğrendiler.
Öyleyse, evren gerçekten bilim adamlarının tanımladığı gibi mi?
Bilim adamları "sahte" bir evren fırlattı
Durum bu olmayabilir.
Evreni simüle ederek, onu büyük ve lezzetli bir pasta pişirmeye benzetebiliriz. Pasta yapmak istersek aklımıza gelen ilk hammadde yumurta ve undur, bu ikisi olmadan kesinlikle pasta yapılmaz. Ancak şeker, vanilya, salata yağı ve diğer malzemeler atlanırsa pastanın tadını hayal edebilirsiniz. Benzer şekilde, şimdiye kadar galaksilerin ve evrenin evrimini simüle eden çoğu kozmik model, yalnızca yumurta ve unla yapılan kekler gibidir ve ilgili malzemeler yalnızca en önemli iki karanlık madde ve yerçekimini içerir.
Sadece bu iki bileşenin dahil olmasının nedeni bilim adamlarının biraz "tembel" olmalarıdır. Karanlık maddeyle ilgili hesaplamalar "basittir" çünkü yerçekimi dışındaki her şeye karşı duyarsızdır. Ve karanlık madde, sıradan maddeden yaklaşık 5 kat daha fazladır, bu da karanlık maddenin evren üzerindeki etkisinin sıradan maddeden çok daha büyük olması gerektiği anlamına gelir. Daha da önemlisi, şu anki süper bilgisayarların sınırlı hesaplama gücü var, bu nedenle bilim adamları yalnızca "tembel" olabilir ve evreni yalnızca karanlık madde ve yerçekimi içeren modellerle simüle edebilir ve ayrıca her şeyin "normal" olarak geliştiğini varsayabilir. Dolayısıyla, bu tür modele göre bilim adamlarının yaptıkları şeyin, evren pastasının sadece "basit" bir versiyonu olduğu söylenebilir.
Ancak bilim adamlarının "tembelliği" bir hata gibi görünmüyor çünkü bu evren modellerinin simülasyon sonuçları gerçeklikle tutarlı görünüyor. Örneğin, NASA'nın "Bolşoy" (adı Rusça'dan geliyor, büyük ve harika anlamına geliyor) simülasyonu, bu, evrenin büyük ölçekli yapısal evrimini simüle eden en doğru evren simülasyonlarından biridir. Bu model yalnızca iki bileşen içermesine rağmen, karmaşık ve devasa bir kozmik ağı başarıyla simüle etti (kozmik ağ, galaksi kümelerinden oluşan büyük ölçekli bir ağ yapısıdır). Dahası, modeldeki galaksiler arasındaki bolluk, boyut ve mesafe, gerçek gözlemlerin sonuçlarıyla eşleşiyor.
Bu şekilde, sadece karanlık madde ve yerçekimini içeren bu tür bir evren simülasyonu sorun olmamalı. Ancak, bu simülasyonları daha küçük galaksi ölçeklerinden doğruladığımızda, yanlış gitmeye başlıyorlar. Örneğin, bu kozmik simülasyonlar, büyük galaksilerin etrafında çok sayıda cüce galaksi olduğunu tahmin ediyor, ancak gerçek gözlem sonuçları çok az. Buna "kayıp cüce galaksi" problemi deniyor. Bu, yalnızca karanlık madde ve yerçekimi içeren bir evren simülasyonunun yalnızca evrenin genel görünümünü görmemize izin verebileceği, ancak evrenin ayrıntılarını görmemize izin verebileceği anlamına gelir. Ve evrenin görünüşünü ayrıntılı olarak anlayamazsak, evrenin evrimini doğru bir şekilde anlayamayız ve evrendeki çeşitli olayların nedenlerini doğru bir şekilde yanıtlayamayız.
Bu evren modelleri neden evreni ayrıntılı olarak tanımlayamıyor?
"Tarif tablosunu" değiştirmek ne kadar zor?
Nedeni aslında çok basit, hiçbir sıradan madde eklenmiyor. Sadece yumurta ve unla yapılan bir kek gibi, sadece şekli vardır, tadı yoktur. Gerçek evreni simüle etmek için sıradan madde gereklidir, çünkü sıradan madde galaksilerin özelliklerini ve hatta karanlık maddenin galaksiler etrafındaki dağılımını etkiler.
Ancak evren modeline sıradan madde eklemek, pasta yapmak kadar basit değildir. Bilim adamları da bu konuda çaresizler çünkü sıradan madde elektrik ve manyetizma gibi pek çok başka kuvvetle etkileşime giriyor, bu nedenle modele sıradan madde eklenirse simülasyonu tamamlamak için birçok sorunun çözülmesi gerekiyor. Tüm simülasyon süreci çok karmaşık hale gelecek ve hesaplamalarda harcanan zaman da büyük ölçüde artacaktır, bu da simülasyon deneyi için kullanılan bilgisayara yüksek talepler getirir. Simülasyon deneyinde kullanılan bilgisayar uzun bir süredir görece "basit" bir "fırın odası" gibidir, böylece "kozmik pastayı" pişiren pasta ustaları becerilerini gösteremez ve tatmin edici bir "kozmik kek" yapamazlar.
Ve şimdi, süper bilgisayarların hesaplama gücü ve algoritmaları gittikçe daha güçlü hale geldikçe, bilim adamları da evren modeline sıradan maddeler eklemeye ve bize evrenin gerçek görünümünü göstermeye çalışıyorlar.
Ayrıntılı yerel simülasyon
Bilim adamları, büyük ölçekli evren simülasyonunun eksikliklerini gidermek için, evrenin yerel simülasyonu için bir model geliştirdiler. Büyük ölçekli evren simülasyonu ile karşılaştırıldığında, yerel simülasyon daha küçük bir uzay alanını kapsayan bir galaksi ve çevresini simüle eder.Bilim adamları, süper bilgisayarların yardımıyla daha yüksek çözünürlüklü daha fazla fiziksel süreci gözlemleyebilir. Ve ilgili verilerin bir kısmı, bilim adamları tarafından gerçekte gözlemlenen ve bilgisayarın hesaplama baskısını da azaltan verilerdir.
2013 yılında, Almanya'daki Leibniz Astrofizik Enstitüsü tarafından yürütülen "Sınırlı Yerel Evren Simülasyonu" (CLUES) projesi başlatıldı. CLUES, Samanyolu, komşu Andromeda Gökadası, Üçgen Gökada ve düzinelerce küçük gökadayı içeren, 10 milyon ışıkyılı yayılan bir gökada grubu olan yerel gökada grubuna odaklanır. Samanyolu'nu ve çevresindeki ortamı simüle etmek için Samanyolu'nuzun etrafındaki on milyonlarca ışıkyılı içinde galaksilerin konum ve hız bilgilerini kullanır. 2015 yılında bilim adamları ayrıca "Gerçekçi Çevre Geri Bildirimi" (YANGIN) adlı bir bilgisayar simülasyonu deneyi başlattı. Simülasyon, inşa etmek için "aşağıdan yukarıya" bir yaklaşım benimsiyor, yani önce küçük ölçekte yıldızların evrimini simüle ediyor ve ardından bu yıldızlardan oluşan büyük galaksilerin evrimini tahmin etmek için büyük galaksilerdeki milyarlarca yıldızın evrimini sentezliyor. Çeşitlilik.
Sonuçlar, yerel simülasyonların gerçekten de evrenin yerel görünümünü anlamamıza yardımcı olabileceğini gösteriyor.Örneğin, bu yerel kozmik simülasyonlar, büyük galaksiler etrafındaki cüce yıldız katsayılarının sayısının temelde gözlemlenen verilerle tutarlı olduğunu gösterirken, önceki bilgisayar simülasyon deneylerindeki cüce galaksilerin sayısı gözlemlenenden daha fazladır. Çok daha fazlası Bu, daha önce bahsedilen "kayıp cüce galaksi" sorunudur. Bilim insanları simülasyonlar yoluyla bu soruna olası bir yanıt da buldular: büyük galaksiler veya kozmik ağlar cüce galaksiler oluşturabilen materyali yok ederek beklenenden daha az cüce gezegen oluşmasına neden oldu.
Karmaşık büyük ölçekli simülasyon
Ancak, ister büyük ölçekli bir kozmik simülasyon, ister yerel bir kozmik simülasyon olsun, bunların hiçbiri tek başına evrenin yapısal özelliklerini büyük ve küçük ölçeklerde yeniden üretemez. Bu yüzden bilim adamları, sıradan maddeyi içeren bazı büyük ölçekli simülasyonlar önerdiler. Süper bilgisayarların yardımıyla, bu simülasyonlar sadece büyük ölçekli evren modellerinin "kaba" problemini çözmekle kalmaz, aynı zamanda küçük ölçekli yerel evren simülasyonlarının eksikliklerini de giderir.
Örneğin, 2014 yılında Amerika Birleşik Devletleri, Birleşik Krallık ve diğer ülkelerdeki bilim adamları tarafından yürütülen "Illustris" (adı Latince'den türetilmiştir) bilgisayar simülasyonu "şimdiye kadarki evrenin evriminin en gerçekçi simülasyonu" olarak selamlandı. Simüle edilmiş uzay ölçeği 350 milyon ışıkyılı çapa ve 13 milyar yıllık bir zaman aralığına sahiptir ve evreni 3B uzay modunda simüle eder. Simülasyon sonuçlarına göre, bu simülasyon önceki simülasyon deneylerinden daha fazla kazanmıştır. Büyük ölçekte, Big Bang'den sonra evrenin durumunu ve evrenin yapısını simüle eder. Küçük ölçekte, ilk yıldızların ve galaksilerin oluşumunu simüle eder ve ayrıca bize evrendeki ilk nesil galaksilerin çoğunlukla saf gazdan oluşabileceğini söyler. Temel olarak, 350 milyon ışıkyılı simüle edilmiş aralıkta 13 milyar yıllık bir dönem boyunca yıldızlardan büyük ölçekli yapılara olan değişiklikleri tasvir ediyor.
Bu tür karmaşık büyük ölçekli simülasyonların tamamlanmasına yardımcı olan süper bilgisayarlar süper bilgisayarlar ve Fransız Curie süper bilgisayarları ve Alman SüperMuc süper bilgisayarları simülasyon deneylerini "açığa çıkarmak" için kullanıldı. Tüm simülasyonu tamamlamak için 8192 CPU kullanılmış ve toplam 19 milyon saat çalıştırılmıştır. Böyle bir simülasyonu gerçekleştirmek için sıradan bir bilgisayar kullanıyorsanız, hesaplamayı tamamlamak yaklaşık 2.000 yıl sürecektir.
Bu, artık evrenin gerçek yüzünü "görebileceğimiz" anlamına mı geliyor? cevap olumsuz. Bunun ana nedeni, evrenin şu anki bilgisayar modellerinin yıldızlar gibi daha küçük ölçekleri veya güneş sistemi gibi ölçekleri simüle edememesidir. Bu nedenle, "vahiy" gibi bilgisayar simülasyonları bile çok sayıda yaklaşım kullanmak zorunda, yani Bize tüm evreni de gösteremez. Evreni tam olarak tanımlamak için manyetik alanlar, kozmik ışınlar, tozlu madde vb. Gibi daha fazla yeni bileşenin eklenmesi gerekiyor. Bu, bilim adamlarının daha gelişmiş süper bilgisayarlar geliştirmesini gerektiriyor.
Elbette, daha gelişmiş bir süper bilgisayar geliştirmek kolay değildir, ancak bilim adamlarının onu çözmek için gösterdikleri çabaya değer. Sonuçta, süper bilgisayarlar artık evrenin evrimini incelediğimiz tek "laboratuvar" dır. Geleceği dört gözle bekliyoruz, daha gelişmiş süper bilgisayarların yardımıyla bilim adamları bize yaşam koşullarının başlangıçta nasıl inşa edildiğini, galaksilerin nasıl oluştuğunu ve evrenin gerçekte neye benzediğini anlatabilirler.
Bu makale büyük teknolojiden geliyor < Bilimsel gizem > 2017 Sayı 9 Dergi Makalesi Büyük Bilim ve Teknolojinin kamuya açık sayısına dikkat etmenizi bekliyoruz: hdkj1997
