ثابت اینشتین زیر سوال: انرژی تاریک در حال تغییر است؟

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، شبیه‌سازی‌های مبتنی بر شفق قطبی به دانشمندان کمک می‌کند تا دریابند که آیا نشانه‌های وسوسه‌انگیز DESI در مورد تغییر انرژی تاریک می‌تواند درک ما از جهان را از نو تعریف کند یا خیر.

یافته‌های اخیر از ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک، احتمال وجود فیزیک جدیدی را نشان می‌دهد که فراتر از مدل استاندارد فعلی کیهان‌شناسی است.

تیم تحقیقاتی با استفاده از سیستم محاسباتی جدید Aurora exascale در آزمایشگاه، شبیه‌سازی‌های با وضوح بالا از تکامل جهان انجام دادند و بستری برای تجزیه و تحلیل و تفسیر پیشرفت‌های رصدی اخیر ایجاد کردند.

سال گذشته، ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) یافته‌هایی را منتشر کرد که ممکن است نظریه‌های فعلی در مورد جهان را به چالش بکشد. داده‌های حاصل از اولین سال مشاهدات این ابزار نشان داد که انرژی تاریک، نیروی مرموزی که گمان می‌رود مسئول انبساط شتاب‌دار کیهان باشد، ممکن است برخلاف تصور قبلی ثابت نباشد.

اگرچه محققان هنوز در تلاش برای تأیید این نتایج هستند، شواهد به این احتمال اشاره دارد که انرژی تاریک با گذشت زمان تغییر می‌کند. در صورت تأیید، این امر نشان‌دهنده تغییر بزرگی در درک ما از کیهان‌شناسی خواهد بود. گروه DESI اخیراً یافته‌های به‌روز شده‌ای را در اجلاس جهانی فیزیک انجمن فیزیک آمریکا ارائه کرد.

اندرو هیرین، فیزیکدان آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE)، که یک موسسه عضو DESI است، گفت: «اگر نتایج DESI پابرجا بماند، به این معنی است که یک ثابت کیهانی منشأ شتاب کیهانی نیست. این بسیار هیجان‌انگیزتر است.» «این بدان معناست که فضا توسط یک سیال پویا در حال تکامل با گرانش منفی احاطه شده است، که هرگز در هیچ آزمایش رومیزی روی زمین مشاهده نشده است.»

مقایسه بصری ساختار کیهانی تحت دو مدل انرژی تاریک

مقایسه بصری یک ناحیه کوچک در شبیه‌سازی‌ها (چپ: مدل استاندارد کیهان‌شناسی؛ راست: مدل انرژی تاریک دینامیکی). تفاوت‌ها جزئی هستند، اما هنوز هم در سطح زیرساختار به وضوح قابل مشاهده هستند. منبع: تیم تجسم و تجزیه و تحلیل داده‌های مرکز محاسبات رهبری آرگون و همکاری HACC

برای کمک به بررسی مشاهدات، هیرین و همکارانش به ابررایانه‌ی اگزااسکیل آرورا در مرکز محاسبات رهبری آرگون (ALCF)، یکی از مراکز کاربری دفتر علوم وزارت انرژی، روی آوردند. آنها با اجرای شبیه‌سازی‌های بزرگ‌مقیاس از جهان، زمینه‌ی آزمایشی را برای محققان فراهم می‌کنند تا داده‌های DESI را تجزیه و تحلیل کنند.

کاترین هایتمن، کیهان‌شناس و معاون مدیر بخش فیزیک انرژی‌های بالای آرگون، گفت: «وقتی این نتیجه سال گذشته منتشر شد، ما واقعاً هیجان‌زده شدیم.» «تیم ما دور هم جمع شد تا در مورد اینکه چه کاری می‌توانیم انجام دهیم تا به جامعه کمک کنیم تا از جنبه شبیه‌سازی به این موضوع نگاه کند، بحث کند. شبیه‌سازی‌ها نقش مهمی در تفکیک فیزیک بنیادی از سیستماتیک در مشاهدات یا تجزیه و تحلیل داده‌ها دارند.»

DESI: روشن کردن انرژی تاریک

DESI، واقع در رصدخانه ملی کیت پیک در آریزونا، حاصل همکاری بین‌المللی بیش از ۹۰۰ دانشمند به رهبری آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی است. DESI که بر روی تلسکوپ مایال نصب شده است، برای بررسی‌های طیف‌سنجی طراحی شده است.

به جای ثبت تصاویر، این تلسکوپ طیف‌های نوری را از کهکشان‌های دوردست جمع‌آوری می‌کند تا ساختار، فاصله و حرکت آنها را تعیین کند. DESI در اولین سال فعالیت خود، محققان را قادر ساخته است تا دقیق‌ترین نقشه سه‌بعدی از جهان هستی را که تاکنون ساخته شده است، ایجاد کنند و انبساط آن را در طول ۱۱ میلیارد سال گذشته ردیابی کنند.

داده‌های اولیه DESI تا حد زیادی با مدل استاندارد کیهان‌شناسی (درک فعلی ما از جهان) مطابقت دارد، اما اختلافات کوچک نشان می‌دهد که انرژی تاریک ممکن است با گذشت زمان در حال تغییر باشد. این امر نظریه فعلی شتاب کیهانی: ثابت کیهان‌شناسی را به چالش می‌کشد.

ثابت کیهان‌شناسی که اولین بار توسط آلبرت انیشتین در معادلات نسبیت عام خود در سال ۱۹۱۷ معرفی شد، قرار بود با فروپاشی گرانشی مقابله کند و از ایده جهان ایستا پشتیبانی کند. با این حال، کشف حدود یک دهه بعد مبنی بر اینکه جهان در حال انبساط است، دانشمندان را به کنار گذاشتن این ایده سوق داد.

این مفهوم در دهه ۱۹۹۰ دوباره احیا شد، زمانی که مشاهدات نشان داد جهان نه تنها در حال انبساط است، بلکه این انبساط با سرعت فزاینده‌ای در حال انجام است. در حالی که ساده‌ترین توضیح، بازگرداندن ثابت کیهان‌شناسی بود، ماهیت انرژی تاریک همچنان یکی از بزرگترین اسرار فیزیک است.

هیرین گفت: «ثابت کیهان‌شناسی اساساً فقط یک عبارت اضافی در معادله‌ای است که سال‌هاست همه از آن استفاده می‌کنند.» «ما نمی‌دانیم چرا این مقدار خاص را به خود می‌گیرد، اما این یک توضیح بسیار پیش پا افتاده برای این شتاب کیهانی غیرمنتظره است.»

شبیه‌سازی‌ها بستری آزمایشی برای اکتشافات کیهانی فراهم می‌کنند

یک چالش کلیدی در کیهان‌شناسی، تعیین این است که آیا الگو‌های مشاهده‌شده در جهان واقعی هستند یا تحریفاتی هستند که توسط نحوه جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها ایجاد می‌شوند. شبیه‌سازی‌ها به محققان کمک می‌کنند تا به این موضوع بپردازند و یک محیط کنترل‌شده برای آزمایش سناریو‌های مختلف ارائه می‌دهند.

گیلیان بلتز-مورمن، پژوهشگر پسادکترا در آرگون، گفت: از آنجایی که نمی‌توانیم یک جهان کوچک برای انجام آزمایش‌ها بسازیم، می‌توانیم با استفاده از رایانه‌های واقعاً بزرگی مانند آرورا، نظریه‌ها را آزمایش کنیم تا رشد ساختار در جهان را در طول زمان شبیه‌سازی کنیم.

ابررایانه‌ی اگزااسکیل آرورا متعلق به ALCF، این تیم را قادر ساخت تا شبیه‌سازی‌های کیهان‌شناسی در مقیاس بزرگ و با وضوح بالا را به سرعت انجام دهند تا مشاهدات DESI را بررسی کنند.

برای بررسی نتایج DESI، تیم آرگون از Aurora برای اجرای دو شبیه‌سازی در مقیاس بزرگ استفاده کرد - یکی با فرض ثابت بودن انرژی تاریک و دیگری با فرض تغییر آن در طول زمان. هر دو با شرایط اولیه یکسان شروع شدند و محققان را قادر ساختند تا حتی کوچکترین تفاوت‌ها را در حین تکامل ردیابی کنند.

«ایده این است که شما یک جهان مدل را تحت مجموعه‌ای از فرضیات ایجاد می‌کنید و سپس جهان مدل خود را با جهان واقعی مقایسه می‌کنید. اگر توافق بسیار خوب باشد، به شما اطمینان می‌دهد که فرضیات شما صحیح هستند.» هیرین گفت. «اما اگر اختلاف فاحشی داشته باشید، به شما می‌گوید که فرضیات شما با جهان واقعی همسو نیستند و حقیقت را نشان نمی‌دهند.»

اگرچه شبیه‌سازی‌ها نمی‌توانند یافته‌های DESI را مستقیماً تأیید کنند، اما یک حلقه بازخورد حیاتی بین نظریه و مشاهده فراهم می‌کنند. محققان با آزمایش اندازه‌گیری‌های مختلف در شبیه‌سازی‌ها، می‌توانند تکنیک‌های تحلیل خود را اصلاح کرده و ارزیابی کنند که آیا الگو‌های مشاهده‌شده می‌توانند از اثرات سیستماتیک به جای فیزیک جدید ناشی شوند یا خیر.

بلتز-مورمن گفت: «اگر بررسی این دو شبیه‌سازی به ما ایده‌ای از نوع اندازه‌گیری که باید برای محدود کردن یک مدل کیهان‌شناسی انجام دهیم، بدهد، می‌توانیم به داده‌های واقعی DESI برگردیم و همان اندازه‌گیری را انجام دهیم و ببینیم چه چیزی به ما می‌گوید.»

با آرورا، جهان را در کانون توجه قرار می‌دهیم

مقیاس و پیچیدگی اجرای شبیه‌سازی‌های کیهان‌شناسی عظیم با وضوح بالا در حجم‌های وسیع می‌تواند منجر به زمان اجرای طولانی شود، اما آرورا به تیم اجازه داد تا آنها را به سرعت تکمیل کنند.

آدریان پوپ، دانشمند محاسباتی آرگون، گفت: با استفاده از قدرت پردازش عظیم آرورا برای اجرای سریع شبیه‌سازی‌های بزرگ‌مقیاس با وضوح کافی بالا، می‌توانیم بسیار سریع‌تر به بینش‌های جدید از مشاهدات کیهان‌شناسی پاسخ دهیم.» «این شبیه‌سازی‌ها در ابررایانه‌های قبلی ما هفته‌ها زمان محاسباتی می‌بردند، اما هر شبیه‌سازی در آرورا فقط دو روز طول می‌کشید.

همانطور که هایتمن توضیح داد، دستیابی به وضوح بالا برای این مطالعه بسیار مهم بود: شفق قطبی بسیار مهم است، زیرا برای تشخیص این تفاوت‌های ظریف، به وضوح فوق‌العاده بالایی در شبیه‌سازی‌های خود نیاز داریم. بدون این سطح از وضوح، جزئیات می‌توانند محو شوند. به این فکر کنید که عینک خود را بردارید و سعی کنید یک شکل تار را تشخیص دهید. 

برای سرعت بخشیدن بیشتر به کار خود، این تیم از روشی به نام تحلیل در حین کار استفاده کرد که به آنها امکان پردازش داده‌های شبیه‌سازی را در حین تولید می‌داد. این رویکرد، تنگنا‌های موجود در ذخیره‌سازی و پس‌پردازش داده‌های شبیه‌سازی را از بین برد و از قدرت آرورا برای استخراج سریع‌تر بینش‌ها و اصلاح شبیه‌سازی‌ها در زمان واقعی بهره برد.

بلتز-مورمن گفت: «این دو شبیه‌سازی واقعاً توانایی ما را در گرفتن نتیجه‌ای که از همکاری‌هایی مانند DESI به دست آمده و داغ است، نشان می‌دهد، بلافاصله یک شبیه‌سازی بر اساس آن نتایج اجرا می‌کنیم و سپس می‌بینیم که چگونه به نظر می‌رسد.

در حالی که یافته‌های DESI همچنان در حال بررسی دقیق است، شبیه‌سازی‌های این تیم ابزاری ارزشمند برای بهبود روش‌های تجزیه و تحلیل و بررسی راه‌های جدید برای تفسیر داده‌ها فراهم می‌کند. برای امکان‌پذیر کردن مطالعات بیشتر، این تیم داده‌های شبیه‌سازی را در دسترس عموم قرار داده است.

هیرین گفت: «این یک کالیبر جدید از شبیه‌سازی‌ها در این زمینه است.» «اساساً، این یک بستر آزمایشی برای جامعه فراهم می‌کند تا ایده‌هایی را برای تمایز بین این دو جهان امتحان کند. این شبیه‌سازی‌ها می‌توانند بینشی در مورد چگونگی استفاده از داده‌های DESI برای تعیین اینکه کدام یک از این مدل‌های رقیب انرژی تاریک حقیقت است، ارائه دهند.»

مرجع: «روشن کردن فیزیک انرژی تاریک با شبیه‌سازی‌های اکتشافی» نوشته‌ی گیلیان دی. بلتز-مورمن، آدریان پوپ، الکس آلارکون، مایکل بوهلمن، نیکلاس فرونتیِر، اندرو پی. هرین، کاترین هایتمن، سارا اورتگا-مارتینز، آلن پرل، استبان رنجل، توماس اورام و انیا ژاکاج، ۷ مارس ۲۰۲۵، arXiv.

DOI: ۱۰.۴۸۵۵۰/arXiv.۲۵۰۳.۰۵۹۴۷

ESI توسط دفتر علوم وزارت انرژی پشتیبانی می‌شود. تیم آرگون، شامل هایتمن، هیرین، بلتز-مورمن، پوپ، الکس آلارکون، مایکل بوهلمن، نیکلاس فرونتیه، سارا اورتگا-مارتینز، آلن پرل، استبان رنجل، توماس اورام و انیا ژاکاج، شبیه‌سازی‌ها را با پشتیبانی برنامه علوم اولیه آرورا ALCF و پروژه محاسبات اگزااسکیل وزارت انرژی انجام دادند. کار آنها همچنین تا حدی توسط برنامه اکتشاف علمی از طریق محاسبات پیشرفته (SciDAC-۵) وزارت انرژی و پروژه OpenUniverse ناسا پشتیبانی شد.