يقول مارك فوجيلسبيرجر ، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "في الفيزياء الفلكية ، لدينا هذا الكون الوحيد الذي يمكننا مراقبته". "باستخدام الكمبيوتر ، يمكننا إنشاء أكوان مختلفة ، يمكننا التحقق منها."
على الرغم من كل تعقيداتها الرائعة ، فإن مجرة درب التبانة غير ملحوظة إلى حد ما مع ذهاب المجرات. على الأقل ، هذا ما يراه مارك فوجيلسبيرجر.
"تحتوي مجرتنا على ميزتين قد تكون مفاجئة بعض الشيء ، مثل العدد الدقيق للبنى والأقمار الصناعية حولها ،" يتأمل فوغيلسبيرغر. "ولكن إذا كنت متوسطًا على الكثير من المقاييس ، فإن درب التبانة هي في الواقع مكان طبيعي إلى حد ما."
يجب أن يعرف. Vogelsberger ، أستاذ مشارك حديث في قسم الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، أمضى الكثير من حياته المهنية في إعادة إنشاء وتطور مئات الآلاف من المجرات ، بدءًا من اللحظات الأولى للكون وحتى يومنا هذا. من خلال تسخير قوة أجهزة الكمبيوتر العملاقة في جميع أنحاء العالم ، أنتج بعضًا من أكثر النماذج النظرية دقة لتكوين المجرات ، بتفاصيل مذهلة.
أمضى الأستاذ المشارك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مارك فوغيلسبيرجر معظم حياته المهنية في إعادة إنشاء وتطور مئات الآلاف من المجرات ، بدءًا من اللحظات الأولى للكون ، وحتى يومنا هذا. في هذا الرسم التوضيحي العمودي ، تُظهر الخلفية طوبولوجيا تدفقات الغاز على نطاق هالة حول نظام TNG50 واحد. الائتمان: جوزيه لويس أوليفاريس ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. شخصية خلفية مقدمة من IllustrisTNG Collaboration.
أظهرت عمليات المحاكاة التي أجراها للكون أن المجرات يمكن أن تتطور إلى مجموعة من الأشكال والأحجام والألوان والعناقيد ، مما يُظهر تنوعًا واضحًا في تعداد المجرات ، والذي يتطابق مع ما لاحظه علماء الفلك في الكون الفعلي. باستخدام المحاكاة كنوع من بكرة الفيلم الحسابية ، يمكن للعلماء إرجاع الشريط لدراسة تفصيلية العمليات الفيزيائية التي تكمن وراء تكوين المجرات ، وكذلك توزيع المادة المظلمة في جميع أنحاء الكون.
في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، يواصل Vogelsberger تحسين عمليات المحاكاة الخاصة به ، ودفعها بعيدًا في الوقت المناسب وعلى مساحات أكبر من الكون ، للحصول على صورة لما قد تبدو عليه المجرات المبكرة. من خلال هذه المحاكاة ، يساعد علماء الفلك في تحديد نوع الهياكل التي قد تكون تلسكوبات الجيل التالي قادرة بالفعل على رؤيتها في الكون المبكر.
كون واحد
نشأ Vogelsberger في Hackenheim ، وهي قرية صغيرة يبلغ عدد سكانها حوالي 2,000 شخص في غرب ألمانيا ، حيث كانت كل ليلة تقريبًا ليلة مثالية لمشاهدة النجوم.
يتذكر قائلاً: "كان هناك القليل جدًا من التلوث الضوئي ، وكانت هناك سماء مثالية بالمعنى الحرفي للكلمة".
عندما كان في العاشرة من عمره ، أعطاه والدا فوغيلسبيرغر كتابًا للأطفال يتضمن حقائق عن النظام الشمسي ، والذي ينسب إليه الفضل في إثارة اهتمامه المبكر بعلم الفلك. عندما كان مراهقًا ، أنشأ هو وصديقه مختبرًا مؤقتًا لعلم الفلك وعلما نفسيهما كيفية إعداد التلسكوبات وبناء أدوات مختلفة ، صمما أحدهما لقياس المجال المغناطيسي لمناطق مختلفة من الشمس.
لم تقدم برامج الجامعات الألمانية أي درجات علمية في علم الفلك في ذلك الوقت ، لذلك قرر متابعة دبلوم في علوم الكمبيوتر ، وهو اهتمام كان قد طوره بالتوازي مع علم الفلك. التحق بمعهد كالرسروه للتكنولوجيا لمدة فصلين دراسيين ، ثم قرر التحول إلى دبلوم فيزياء عامة أكمله في جامعة ماينز.
توجه بعد ذلك إلى جامعة ميونيخ ، حيث تعلم كيفية تطبيق تقنيات علوم الكمبيوتر على مسائل علم الفلك والفيزياء الفلكية. تضمن عمله لنيل درجة الدكتوراه هناك ، وفي معهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية ، محاكاة التركيب التفصيلي للمادة المظلمة وكيفية توزيعها على نطاقات صغيرة عبر الكون.
أظهرت عمليات المحاكاة العددية التي ساعد في تطويرها أنه ، بمقاييس صغيرة مماثلة لحجم الأرض ، يمكن للمادة المظلمة أن تتكتل وتتحرك عبر الكون في "تيارات" ، والتي تمكن الباحثون من قياسها لأول مرة من خلال عمليات المحاكاة. .
يقول Vogelsberger: "لقد استمتعت دائمًا بالنظر من خلال التلسكوب كهواية ، ولكن استخدام الكمبيوتر لإجراء تجارب مع الكون كله كان شيئًا مثيرًا للغاية". "في الفيزياء الفلكية ، لدينا هذا الكون الوحيد الذي يمكننا مراقبته. باستخدام الكمبيوتر ، يمكننا إنشاء أكوان مختلفة ، والتي يمكننا التحقق منها (من خلال الملاحظات). كان ذلك جذابًا جدًا بالنسبة لي ".
"كل شيء يتطور"
في عام 2010 ، بعد حصوله على درجة الدكتوراه في الفيزياء ، توجه فوغيلسبيرغر إلى جامعة هارفارد للحصول على شهادة ما بعد الدكتوراة في مركز الفيزياء الفلكية. هناك ، أعاد توجيه بحثه إلى المادة المرئية ، ومحاكاة تكوين المجرات عبر الكون.
لقد أمضى الجزء الأكبر من مبنى ما بعد الدكتوراه في بناء ما سيكون في النهاية المصور - محاكاة حاسوبية مفصلة للغاية وواقعية لتشكيل المجرة. تبدأ المحاكاة بنمذجة ظروف الكون المبكر ، بعد حوالي 400,000 ألف سنة من الانفجار العظيم. من هناك ، تحاكي Illustris الكون المتوسع على مدار تطوره الذي دام 13.8 مليار سنة ، مستكشفة الطرق التي ينجذب بها الغاز والمادة ويتكثفان لتشكيل النجوم والثقوب السوداء والمجرات.
يقول Vogelsberger: "إذا أجريت إحدى عمليات المحاكاة هذه من البداية إلى النهاية على جهاز كمبيوتر مكتبي ، فسيستغرق الأمر بضعة آلاف من السنين". "لذلك ، كان علينا تقسيم هذا العمل بين عشرات الآلاف من أجهزة الكمبيوتر للحصول على وقت تشغيل معقول يبلغ حوالي ستة أشهر."
أجرى هو وزملاؤه عمليات المحاكاة على أجهزة الكمبيوتر العملاقة في فرنسا وألمانيا والولايات المتحدة لإعادة إنتاج تطور المجرات داخل حجم مكعب من الكون يبلغ قطره 350 مليون سنة ضوئية - وهي أكبر محاكاة للكون تم تطويرها على الإطلاق في ذلك الوقت.
الإخراج الأولي من Illustris اتخذ شكل أرقام. ذهب Vogelsberger إلى أبعد من ذلك لتحويل هذه الأرقام إلى شكل مرئي ، مكثفًا الحسابات المعقدة للغاية في مقاطع فيديو قصيرة ومذهلة لمكعب دوار للكون المتوسع المبكر ، مما أدى إلى ظهور بذور المجرات الدوامة.
فوغيلسبيرغر وزملاؤه نشرت ورقة in الطبيعة في عام 2014 ، بالتفصيل إخراج المحاكاة ، إلى جانب تصوراتها. منذ ذلك الحين ، تلقى طلبات لا حصر لها لإجراء عمليات المحاكاة من العلماء ، ووسائل الإعلام ، والقباب السماوية ، حيث تم عرض تصورات تكوين المجرات على القباب بدقة عالية. تم الاحتفال بالمحاكاة في شكل a طابع بريدي ألماني.
في عام 2013 ، انضم فوغيلسبيرجر إلى هيئة تدريس الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، حيث يتذكر أن لديه شكوكًا أولية حول ما إذا كان يمكنه مواكبة "القمة".
يقول: "أدركت بسرعة كبيرة أن لدى الأشخاص توقعات عالية ، لكنهم يساعدونك أيضًا في تحقيق ما تريد تحقيقه ، والقسم داعم للغاية على جميع المستويات".
في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، واصل تحسين عمليات المحاكاة الحاسوبية لتشكيل المجرات وتوزيع المادة المظلمة. مؤخرا ، أطلقت مجموعته التوضيح TNG، محاكاة أكبر وأكثر تفصيلا لتشكيل المجرات. كما أنهم يعملون على محاكاة جديدة لحقول الإشعاع في بدايات الكون ، بالإضافة إلى الاستكشاف نماذج مختلفة للمادة المظلمة.
يقول Vogelsberger: "تبدأ كل هذه المحاكاة بكون موحد - لا شيء سوى الهيليوم والهيدروجين والمادة المظلمة". "وعندما أشاهد كيف يتطور كل شيء ليشبه شيئًا مثل كوننا ، فإن هذا يجعلني أتساءل إلى أي مدى وصلنا مع فهمنا للفيزياء. كانت البشرية موجودة منذ فترة قصيرة. ومع ذلك ، فقد تمكنا من تطوير كل هذه النظريات والتقنيات لنكون قادرين على القيام بشيء كهذا. إنه لأمر مدهش حقًا. "
