Տիեզերքը համակարգչի մեջ. Պատմում ենք երեք խոշորագույն տիեզերագիտական սիմուլյացիայի մասին
Գիտության որոշ մարգինալ հիպոթեզներ պնդում են, որ մեր Տիեզերքը համակարգչային սիմուլյացիա է։ Որ մենք ապրում ենք ինչ-որ անհայտ այլմոլորակային քաղաքակրթության կամ հեռավոր ապագայի մարդկության ներկայացուցիչների հսկա համակարգչում ու ընդամենը թվային կոդ ենք։ Սակայն կան այլ տիպի սիմուլյացիաներ, ոչ այնքան հզոր ու մանրակրկիտ, որոնք գիտնականներն օգտագործում են Տիեզերքի էվոլյուցիան քայլ առ քայլ ուսումնասիրելու, այն սեփական մոդելների ու դիտարկումների հետ համեմատելու համար։
PAN-ը պատմում է երեք նման խոշոր սիմուլյացիայի մասին։
MILLENNIUM SIMULATION
2005-ին ԱՄՆ, Մեծ Բրիտանիայի, Գերմանիայի, Կանադայի ու Ճապոնիայի աստղաֆիզիկոսների ու տիեզերագետների Virgo կոնսորցիումը գործարկեց Millennium Run կոչվող համակարգչային մոդելը` նպատակ ունենալով հասկանալ, թե ինչպես է ժամանակի ընթացքում էվոլյուցիայի ենթարկվել նյութի բաշխվածությունը Տիեզերքում, ու ինչպես է առաջացել գալակտիկաների դիտարկվող պոպուլյացիան։ Քանի որ իրական դիտարկումների ընթացքում որքան հեռուն են նայում գիտնականները, այնքան ավելի հեռավոր անցյալն են տեսնում, ապա նյութի բաշխվածությունը Տիեզերքում` սկսած բավականին վաղ ժամանակներից մինչև մեր օրերը, հնարավոր է անմիջականորեն դիտարկել ու համեմատել այդ դիտարկումները տեսական մոդելների հետ, որոնց հիման վրա էլ աշխատում էր սիմուլյացիան։ Եթե սիմուլյացիայի արդյունքները համապատասխանեն դիտարկումներին, ապա տվյալ ֆիզիկական մոդելը մեծ հավանականությամբ ճիշտ է։
Մոդելը սկսվում է Մեծ պայթյունից մոտ 380 հազար տարի անց, երբ Տիեզերքը թափանցիկ դարձավ լույսի համար։ Այդ լույսը` ֆոնային ռելիկտային ճառագայթումը ու դրանում առկա ոչ միատարր հատվածները պատմում են Տիեզերքի վաղ շրջանում նյութի բաշխվածության մասին, ու այսօր առկա ճշգրիտ սարքերը կարող են դրանք հայտնաբերել։ Millennium Run-ի համար որպես սկզբնակետ օգտագործվել են հենց այդ դիտարկումների արդյունքները, իսկ ինքը` սիմուլյացիան, ժամանակի մեջ էվոլյուցիայի է ենթարկվել` հիմնվելով պարզեցված աստղաֆիզիկական պրոցեսների ու ֆիզիկայի հայտնի օրենքների վրա։
Ի սկզբանե, մոդելը բաղկացած էր ավելի քան 10 մլրդ «մասնիկից»` մոդելավորելով դրանց փոխազդեցությունը ժամանակի ընթացքում։ Իհարկե, խոսքն այստեղ տարրական ֆիզիկական մասնիկների մասին չէ, որովհետև սիմուլյացիայում յուրաքանչյուր «մասնիկ» համապատասխանում էր Արեգակի զանգվածից մոտ մեկ մլրդ անգամ շատ զանգված ունեցող մութ նյութի կտորի։ Տարածության մոդելավորված հատվածն իրենից ներկայացնում էր կողի մոտ 2 մլրդ լուսատարի երկարությամբ խորանարդ` լցված մոտ 20 մլն «գալակտիկաներով»։ Գերմանական Գարխինգում գտնվող սուպերհամակարգիչը GADGET կոդի իր տարբերակով սիմուլյացիան իրականացնում էր ավելի քան մեկ ամսվա ընթացքում, իսկ մոդելավորման արդյունքների համար անհրաժեշտ եղավ մոտ 25 տերաբայտ հիշողություն։
Millennium Run-ի մոդելավորումից հետո սիմուլյացիայի արդյունքների հիման վրա կառուցվեցին գալակտիկական բնակչության ձևավորման մի շարք ավելի բարդ ու ճշգրիտ մոդելներ։ Սիմուլյացիայի վերջին տարբերակներում ճշգրտվել էին նաև բազային տիեզերագիտական մոդելի պարամետրերը` դրանց ճշգրիտ արժեքների մասին փոփոխվող պատկերացումները սիմուլյացիայում ներառելու համար։ 2018թ-ի կեսերի դրությամբ Millennium Run-ի արդյունքներից օգտագործմամբ ավելի քան 950 գիտական հոդված էր հրապարակվել, ինչն այն դարձնում է բոլոր ժամանակների ամենատպավորիչ աստղաֆիզիկական մոդելավորումը։
UCHUU SIMULATIONS
Տիեզերքը ահռելի մեծ է։ Սարսափելի, անպատկերացնելի մեծ։ Ոչ մի աստղադիտարան չի կարող դիտարկել Տիեզերքը խոշոր մասշտաբներում։ Հետևաբար, ամենամեծ մասշտաբում տիեզերական դինամիկան տեսնելու համար անհրաժեշտ է համակարգչային մոդելավորում։
Այն ներառում է մասնիկներ, որոնք միմյանց հետ փոխազդում են այնպես, ինչպես գրավիտացիոն փոխազդում են գալակտիկաները, ինչը թույլ է տալիս համակարգչին սիմուլացնել այդ ամբողջ համակարգի դինամիկան ժամանակի մեջ։ Որքան հզորանում են համակարգիչներն, այնքան ճշգրիտ է դառնում սիմուլյացիան, որովհետև այնքան շատանում են մասնիկներն ու դրանց միջև փոխազդեցությունները։
Millennium Run-ից հետո հաջող որակական թռիչքը ստացավ Uchuu Simulations անվանումը։ Ճապոնացի ու իսպանացի աստղաֆիզիկոսների նախաձեռնած սիմուլյացիան ներառում է 2.1 տրիլիոն (2.100.000.000.000) «մասնիկ» ու սիմուլացնում է 9.63 միլիարդ լուսատարի կողի երկարությամբ խորանարդ՝ 13 մլրդ տարի ժամանակում (Տիեզերքի առաջացումից մինչ օրս)։
Սիմուլյացիան ստեղծվել է աստղագիտության մեջ կիրառվող ամենահզոր ATERUI II գերհամակարգչով, որի 40 հազար 200 պրոցեսորները 20 մլն գերհամակարգիչ/ժամ աշխատելու արդյունքում ստեղծել են մոտ 3 պետաբայտ (3000 տերաբայտ) կշռող սիմուլյացիան։
Սիմուլյացիայում օգտագործվում է հեռավորության մեգապարսեկ/Հաբբլի հաստատուն չափման միավորը` Mpc/h։ Մեկ մեգապարսեկը հավասար է 3 մլն 260 հազար լուսատարու, Հաբբլի հաստատունը՝ մոտ 0.68-0.70-ի, հետևաբար՝ 1Mpc/h=3260000/0.7~4657000, այսինքն՝ մոտ 4.6-ից 4.7 մլն լուսատարիի։
FLAMINGO
Օգտագործելով աշխարհի հզորագույն սուպերհամակարգիչներից մեկը` աստղաֆիզիկոսներն իրականացրել են ևս մեկ խոշոր մոդելավորում, որը ստացել է FLAMINGO (Full-hydro Large-scale structure simulations with All-sky Mapping for the Interpretation of Next Generation Observations) անվանումը։ Այն նկարագրում է Տիեզերքի խոշորամասշտաբ ստրուկտուրայի աճը13.75 մլրդ տարիների ընթացքում։
Տիեզերքի էվոլյուցիան մոդելավորված է կողի 10 մլրդ լուսատարի երկարությամբ խորանարդում` հետևելով ոչ պակաս, քան 300 մլրդ «մասնիկի» գրավիտացիոն փոխազդեցությանը, որոնցից յուրաքանչյուրի զանգվածը հավասար է մոտ 130 մլն Արեգակի կամ միջին թզուկ գալակտիկայի զանգվածի։
Մոդելավորումն իրականացվել է Մեծ Բրիտանիայի Դարեմյան համալսարանի DiRAC-COSMA8 սուպերհամակարգչով` պահանջելով ավելի քան 50 մլն ժամ համակարգչային ժամանակ` բաշխված 30 000 պրոցեսորներով։
Բացի չափերից եւ ավելի մեծ ճշգրտությունից, FLAMINGO-ն մյուս սիմուլյացիաներից տարբերվում է նրանով, որ ներառում է շատ ավելին, քան ուղղակի գրավիտացիան։ Մինչ օրս եղած սիմուլյացիաները կենտրոնանում էին միայն մութ նյութի բաշխվածության ու էվոլյուցիայի վրա, քանի որ «սովորական» բարիոնային նյութը կազմում է Տիեզերքի զանգվածի միայն հինգերորդ մասը։ Սակայն այն կարող է ազդեցություն գործել փոքր հեռավորություններում նյութի բաշխվածության վրա. օրինակ, գերնորերի պայթյուններից եւ գերհսկա սև խոռոչներից սնվող գալակտիկական քամիները կարող են դադարեցնել գալակտիկաների աճը։
FLAMINGO-ն ապահովում է տիեզերագիտական մոդելավորում, ներառյալ բարիոնային նյութի, օգտագործելով հիդրոդինամիկ մոտեցումը, որը կիրառվում է գազային հոսքերի նկարագրության համար։ Այնպիսի երևույթների, ինչպիսիք են գալակտիկական քամիները, ճշգրիտ մոդելավորելու համար աստղաֆիզիկոսների թիմը համապատասխանեցրել է իր հաշվարկները գոյություն ունեցող դիտարկումներին` օգտագործելով մեքենայական ուսուցում։
Ավելին, սիմուլյացիան հաշվի է առնում նաև տիեզերական նեյտրինոների` շատ փոքր, բայց ոչ զրոյական զանգված ունեցող տարրական մասնիկների վարքագիծը։
FLAMINGO-ն բոլոր առումներով ամենաժամանակակից սիմուլյացիան է, սակայն դիտարկումներն ու նոր տվյալների հավաքագրումը շարունակվում է, ինչպես շարունակվում է նաև նոր տեսական մոդելների մշակումը։ Այնպես որ, հերթական, ավելի ճշգրիտ ու խոշոր սիմուլյացիան սարերի հետևում չէ։ Միգուցե, մի օր այն այնքան ճշգրիտ լինի, որ սիմուլյացիայում ձևավորվեն աստղային համակարգեր, մոլորակներ, բանական կյանք... գրողը տանի, մի րոպե...