מחקר בנייצ’ר בהשתתפות חוקר ישראלי חושף את הסימולציה המפורטת הראשונה של היקום* דרשה שלושה חודשי הרצה בשני מחשבי על

ד”ר שי גנל, פוסט דוקטורנט במכון לתיאוריה וחישובים באוניברסיטת הארווארד ובמכון הארווארד סמיתסוניאן אומר בראיון לאתר הידען כי הסימולציה מכילה תנאי התחלה ואת חוקי הטבע הבסיסיים, לרבות תהליך יצירת הכוכבים, החומר האפל והאנרגיה האפלה

מדענים יצרו את המודל הוירטואלי הריאליסטי הראשון של היקום תוך שימוש בסימולציית מחשב המכונה Illustris. אילוסטריס יכולה לשחזר 13 מיליארד שנים של אבולוציה קוסמית בקוביה שממדיה 350 מיליון שנות אור לכל כיוון ברזולוציה חסרת תקדים.

“עד כה, אף סימולציה יחידה לא הצליחה לשחזר את היקום הן בקנה מידה גדול והן בקנה מידה קטן בו זמנית” אמר החוקר הראשי מרק פוגלסברגר מ-MIT ומכון הארוווארד סמיתסוניאן לאסטרופיסיקה, שביצע את העבודה בסיוע חוקרים ממספר מכונים ובהם מכון היידלברג למחקרים תיאורטיים בגרמניה. המחקר מתפרסם היום, 8 במאי בכתב העת נייצ’ר.

בראיון לאתר הידען מסביר ד”ר שי גנל, שותף למאמר, ופוסט דוקטורנט במכון לתיאוריה וחישובים באוניברסיטת הארווארד ובמכון הארווארד סמיתסוניאן כי נסיונות קודמים לדמות את היקום נתקלו בהעדר כוח מיחשוב ובמורכבות הפיסיקה. כתוצאה מכך, התוכנות הללו היו מוגבלות ברזולוציה או שחויבו להתמקד במגזר קטן של היקום. סימולציות קודמות גם התקשו במידול המשוב המורכב בין היווצרות כוכבים, התפוצצויות סופרנובה וחורים שחורים מאסיביים במרכזי הגלקסיות.

גנל, שנולד וגדל בהרצליה, שירת ביחידה 8200. בתואר הראשון הוא למד במסלול משולב פיסיקה והנדסת חשמל באוניברסיטת ת”א: “בתור ילד התעניינתי בפיסיקה ואסטרונומיה ובצבא התחלתי להתעניין במדעי המחשב, זה נהיה חיבור מאוד טבעי ומהנה בשבילי.” הוא מסביר. לאחר מכן המשיך גנל במסלול ישיר לדוקטורנט במכון מקס פלנק ליד מינכן בגרמניה, לאחר סיום הדוקטורט עבר לפוסט דוקטורט במכון לתיאוריה וחישובים באוניברסיטת הארווארד בראשותו של פרופ’ אבי לייב.

“סימולצית אילוסטריס משתמשת בתכנות מתוחכם בן כ-100 אלף שורות קוד כדי ליצור את האבולוציה של היקום באיכות גבוהה. המודל כולל התייחסות הן לחומר הרגיל והן לחומר האפל תוך שימוש ב-12 מיליארד ‘פיקסלים’ תלת ממדיים, או מרכיבי רזולוציה.”

הצוות הקדיש חמש שנים לפיתוח תוכנת אילוסטריס. החישובים בפועל דרשו שלושה חודשים של זמן ריצה תוך שימוש ב-8,000 מעבדים במקביל בשני מחשבי על גדולים באירופה. אם אלו היו מעבדים רגילים של מחשב אישי, היו נדרשים אלפיים שנה להשלמת החישוב.

סימולצית המחשב החלה כ-12 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול, והיא מגיעה עד לימינו. האטסרטונומים מנו למעלה מ-41 אלף גלקסיות בקוביה של החלל המסומלץ. חשוב מכך, אילוסטריס הפיקה תמהיל קרוב מאוד למציאות של גלקסיות ספיראליות כדוגמת שביל החלב וגלקסיות אליפטיות כדוגמת כדורגל אמריקני. היא גם יצרה מבנים בקנה מידה גדול כגון צבירי גלקסיות וכן בועות וריקנות של הרשת הקוסמית. בקנה מידה קטן היא גם שיחזרה את הכימיה של גלקסיות פרטניות.

ביניים: הגלקסיות נוצרו מעצמן
מסביר ד”ר גנל: “הכנסנו למודל את תנאי ההתחלה ששררו ביקום המוקדם, ובחרנו בגיל 12 מיליון שנה משום שזה איזור שאנו יכולים לצפות בו באמצעות לוויינים כמו הלוויין פלנק. הקרינה מאותה התקופה היא קרינה אחידה (למעט הפרעות קטנות שיצרו גלי הכבידה – ראו כתבה שפרסמנו באתר הידען בעקבות גילויים של גלי הכבידה, אבל השפעתם היתה בהתנפחות היקום שבריר השניה לאחר המפץ הגדול, אבל בגיל 12 מיליון אכן היקום שכבר התנפח היה אחיד א.ב.). היקום היה אז הומוגני והוא היה מורכב רק מאטומי מימן והליום. באותה תקופה עוד לא היו כוכבים. קוד המחשב שלנו מייצג את חוקי הפיסיקה, בעיקר חוקי הכבידה, עובדת היקום המתפשט (האנרגיה האפלה, ועל כך בהמשך, א.ב.) וההידרודינמיקה – הזרימה של הגז שממלא את היקום.”

“בנוסף, מידלנו את תהליך היווצרות כוכבים וחורים שחורים מתוך הגז וכן התחשבנו בהשפעת הגומלין של אותם כוכבים וחורים שחורים בחזרה על הגז הזה. זמן קצר לאחר שנוצר כוכב או חור שחור הוא מתחיל לשחרר אנרגיה וקרינה לסביבה של והאנרגיה הזו משפיעה על היווצרות דורות ההמשך של כוכבים וחורים שחורים, זה תהליך בהסדרה עצמית. עם זאת מדובר בתהליך מאוד מסובך ולפיכך איננו יכולים לפתור את המשוואות הקשורות אליו באמצעות דף ועיפרון ולכן אנחנו חייבים להשתמש במחשבים מאוד חזקים שעושים הרבה חישובים ועוקבים בזמן אחרי התהליכים הללו.”

מכיוון שהאור נע במהירות קבועה, ככל שהאסטרונומים מתבוננים רחוק יותר, כך הם רואים אחורנית בזמן. גלקסיה המרוחקת מיליארד שנות אור מאיתנו נראית כפי שהיתה לפני מיליארד שנה טלסקופים כדוגמת האבל יכולים לצפות ביקום המוקדם באמצעות צפייה למרחקים גדולים יותר. ואולם אסטרונומים אינם יכולים להשתמש בהאבל או בכל טלסקופ אחר, חזק ככל שיהיה, כדי לעקוב אחר האבולוציה של גלקסיה אחת לאורך זמן. “אילוסטריס היא כמו מכונת זמן. אנו יכולים ללכת קדימה ואחורנית בזמן. אנו יכולים לעצור את הסימולציה ולהתמקד בגלקסיה אחת או בצביר גלקסיות ולראות מה מתרחש שם” אומר גנל.

“לאחר הצבת תנאי ההתחלה הרצנו את הזמן הקוסמי קדימה ועקבנו אחר מתחילים התפתחות הגז, הכוכבים והחורים השחורים וראו זה פלא, באופן טבעי נוצרו בתוך היקום המסומלץ הזה גלקסיות בלי שנתכנת אותם. הם נוצרו לבדן רק בזכות תנאי ההתחלה וחוקי הפיסיקה.” מסביר גנל.

בתשובה לשאלת אתר הידען מה מיוחד בסימולציה הזו לעומת סימולציות קודמות?

בסימולציה שאנחנו מפרסמים היום בנייצ’ר יש שני חידושים עיקריים: החידוש הראשון הוא הכללתם של תהליכים רבים הקשורים בהיווצרות הכוכבים והחורים השחורים שסימולציות קודמות לא כללו . דבר זה איפשר לסימולציה לפתח אוכלוסיה גדולה של עשרות אלפי גלקסיות. הראינו שהגלקסיות הללו דומות לגלקסיות אמיתיות שמדענים אחרים רואים בטלסקופ והדבר נובע מהדיוק במידול חוקי הפיסיקה.
הדבר השני שמיוחד בסימולציה הוא בהקיפה. זו הסימולציה הכי גדולה של היקום שנהבנתה אי פעם. היתרון לגודל מאפשר לנו לעקוב ברציפות אחר נפח גדול של היקום, ולבחון את המבנה הפנימי של כל גלקסיה בנפרד. המספר הגדול של הגלקסיות מאפשר לנו להשוות סטטיסטית את אוכלוסיית הגלקסיות שאנו רואים לזו הקיימת במציאות ולהשוות האם הסימולציה אכן מדמה את המציאות. כדי להבין אם המודלים שלנו נכונים, אנו נדרשים למספר גדול של גלקסיות מסומלצות.

הידען: איך יודעים מה עלה בגורלם של הכוכבים שאנו רואים אותם היום? הרי למעשה איננו יכולים לראות את היקום כולו במצבו הנוכחי אלא רק את הסביבה הקרובה אלינו וככל שאנו מתרחקים אנו גם רואים את היקום בתקופה אחרת?

גנל: “בסימולציה אנחנו עוקבים אחר כל ההסטוריה של היקום. אנו משווים כל תקופה בסימולציה שלנו אנחנו לתקופה המקבילה כפי שהיא נשקפת מהתצפיות. בטלסקופים אנו רואים עצמים בשלבי התפתחות שונים בתקופות שונות, לדוגמה גלקסיות בגילאים שונים של היקום, אך איננו יכולים לעקוב אחר ההתפתחות של אותו עצם לאורך זמן. העבודה של התצפיתנים היא מין עבודת בלשות שבמהלכה הם נדרשים לפענח כיצד התפתח סוג אחד של גלקסיה לסוג אחר של גלקסיה אבל לא ניתן לראות כיצד זה קורה. סימולציה כמו שלנו עושה חיים קלים יותר כי אנחנו יכולים לעקוב אחר גלקסיה ספציפית ולראות איך היא משתנה עם הזמן זה יכול לעזור לתצפיתנים לעשות את אותם היסקים עבור היקום המקורי.”

כיצד התייחסתם לחומר האפל ולאנרגיה האפלה?

אנחנו מניחים בסימולציה שלנו את המודל הכי פשוט לאנרגיה האפלה ולחומר האפל. לגבי האנרגיה האפלה, אנו מניחים שהיא מפוזרת באופן אחיד על כל היקום וההשפעה היחידה שלה היא בקביעה של קצב התפשטות היקום. החומר האפל מתנהג באופן שונה ולכן מימשנו אותו כרכיב דינמי בתוך הסימולציה. מאחר והחומר האפל מגיב לכוח הכבידה, ההתפלגות שלו במרחב שונה – ישנם איזורים שיש בהם הרבה חומר אפל, ואיזורים אחרים כמעט ריקים לגמרי. אנחנו עוקבים אחר החומר האפל בסימולציה תחת הנחה שהוא מגיב רק לכוח הכבידה ולא לשום כוח אחר. העובדה שכשאנחנו משתמשים בהנחות הללו אנחנו מקבלים התאמה טוב לתצפיות מחזקת את הסבירות שהמודל מתאר נכון את הטבע. זו לא הוכחה כי תמיד עדיין יכול לבוא מודל אחר שגם הוא יצליח להסביר את אותן תצפיות אבל כרגע אין מודל כזה והראינו בפעם הראשונה שתחת ההנחות שתיארתי אפשר לקבל לא רק את ההתפלגות של גלקסיות בסקלות מאוד גדולות – (הרשת הוסמית Cosmic Web) – קנה מידה של מאות מיליוני שנות אור, אלא גם מראים שהמודל יכול לשחזר את התכונות של גלקסיות אינדיבידואליות בקנה מידה של אלפי שנות אור – סקלה הרבה יותר קטנה ומפורטת.”

האם גם אצלכם, כמו בתצפיות אסטרונומיות רבות, הגלקסיות התמזגו?

אכן אנחנו רואים מיזוגים של גלקסיות . באחד הסרטים שפרסמנו רואים דוגמה ליצירת גלקסיה אליפטית מאוד מאסיבית כתוצאה ממזוג של שש גלקסיות נפרדות. יש לנו הרבה מקרים בסימולציה הזו ואחד הסטודנטים מנסה לכמת את קצב המיזוגים של גלקסיות כפונקציה של הזמן הקוסמולוגי.

גנל נמצא כעת בארץ בביקור עבודה, משום שהוא מבצע מחקרים משותפים עם שני חוקרים ישראלים – פרופ’ עמיאל שטרנברג מאוניברסיטת ת”א (שגנל שימש עוזר מחקר שלו עוד במהלך התואר הראשון), ופרופ’ אבישי דקל מהאוניברסיטה העברית.

בסרטון הוידאו ניתן לראות כמה דוגמאות לתוצאות בשכבות שונות של הסימולציה (כדוגמת צפיפות החומר האפל, טמפרטורת הגז או הכימיה). סרטונים קצרים נוספים (לרבות הסרטון המתאר מיזוג גלקסיות) ותמונות ניתן למצוא באתר הסימולציה.