انبساط کیهان شبیه سازی شد!

کیهان به صورت دائمی در حال انبساط است. تغییر می کند و ساختارهای جدید ادغام شده ای را به وجود می آورد، اما کیهان چگونه تکامل می یابد؟ فیزیکدانان دانشگاه ژنو، یک کد حاصل از شبیه سازی عددی را گسترش دادند که نگاهی اجمالی به مجموعه مراحل شکل گیری ساختارهای کیهانی را پیشنهاد میکند. براساس معادلات اینشتین، این محققان توانستند چرخش زمان-فضا را کامل کنند و دامنه امواج گرانشی را که وجود آنها برای اولین بار در دوازدهم فوریه سال ۲۰۱۶ تایید شده بود را، حساب کنند.

در این تصویر امواج گرانشی تولید شده در حین شکل گیری و تکامل ساختارهای کیهانی نشان داده شده است.


تا کنون دانشمندان شکل گیری بزرگ مقیاس محاسبات ِ کیهان شناسی مربوط به گرانش نیوتنی که بر پایه شبیه سازی های عددی بوده، را مورد بررسی قرار می دادند. این کدها نشان میدهند که فضا خود به خود تغییر نمیکند و گفته میشود که با گذشت زمان، همچنان ثابت است. این شبیه سازی ها فقط در صورت حرکت آرام کیهان دقیق میباشند، یعنی در سرعتی حدود سیصد کیلومتر بر ثانیه. گرچه وقتی که ماده دچار حرکت های کوچکی در سرعت زیاد میشود، این کد فقط به محاسبات تقریبی منتهی میشود. بعلاوه، این موضوع نوسانات انرژی تاریک را بیان نمیکند که با استناد به داده ها هفتاد درصد از کل انرژی کیهان را تشکیل داده( سی درصد بقیه شامل ماده تاریک و بقیه ماده ی عادیست)، و مسئول انبساط شتابدار جهان میباشد. پس، لازم بود تا یک راه جدید برای شبیه سازی شکل گیری ساختارهای کیهانی پیدا شود و اجازه به مطالعه و بررسی این دو پدیده بدهد.

تئوری کلی نسبیت به کار بسته شد

تیمی از محققان به رهبری "روث دُورر” از دپارتمان فیزیک در دانشکده علوم پایه سوئیس، کُدی به نام Gevolution یا تکامل نیروی گرانش، را بر مبنای تئوری نسبیت ارائه کردند. در واقع نسبیت فضا-زمان را وابسته به حرکت در نظر میگیرد و بیان میکند زمان – فضا دائما در حال تغییرند که برخلاف فضای ایستا در تئوری نیوتن است. هدف این پژوهش حدس مفهوم امواج گرانشی و کشش چارچوب (دوران زمان-مکان) و در نهایت درک ساختارهای کیهانی میباشد. جزئیات این شبیه سازی را ویدئوی زیر مشاهده کنید:

برای انجام این کار، فیزیکدانان یک مکعب در فضایی که از شصت میلیارد ناحیه بصورت ذره های جداگانه(هر ذره نشان دهنده ی یک کهکشان) تشکیل میشد ایجاد کرده و آن را مورد بررسی قرار دادند. به لطف کتابخانه LATfield 2 محققان توانستند معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی غیر خطی را حل کنند، آنها همچنین با ابر کامپیوتری در سوئیس، توانستند که حرکت هر ذره را بررسی کرده و متریک یا همان فاصله و زمان میان دو کهکشان در کیهان را با توجه به معادلات اینشتین حساب کنند. نتایج این محاسبات به اندازه گیری اختلاف بین نتایج بدست آمده از gevolution و کدهای نیوتنی کمک میکند. این مسئله این امکان را میدهد تا اثر کشش چارچوب و امواج گرانشی معرفی شده توسط شکل گیری ساختارهای کیهانی، اندازه گیری شوند.

امواج گرانشی و کشش-چارچوبی حدس زده شده توسط gevolution

در واقع امواج گرانشی و کشش-چارچوبی تا زمان ایجاد ِ کد gevolution در شبیه سازی ها دخیل نشده بودند. این موضوع راهی را برای مقایسه ی نتایج شبیه سازی تکاملی کیهان، باز میکند. فیزیکدانان با کد جدیدشان می توانند تا تئوری نسبیت را با مقیاس بزرگتر آزمایش کنند. برای رساندن این تحقیق به حداکثر خود، پروفسور روث دورر و تیم وی کد gevolution خود را عمومی میکنند. تا شاید این تحقیق در آینده نزدیک بتواند به رمزگشایی انرژی تاریک کمک کند.
بیگ بنگ