اوچو: حقیقی‌ترین و بزرگ‌ترین شبیه‌ساز کیهان در کل تاریخ نجوم

تا به حال به ساختار بازی‌های آنلاینی توجه کرده‌اید که سعی دارند کل جهانی که در آن زندگی می‌کنیم را به شکل مجازی شبیه‌سازی کنند؟

شاید برای شما جالب باشد که بدانید این شبیه‌سازی تنها در دنیای بازی‌های آنلاین وجود ندارد. یک تیم بین‌المللی از پژوهشگران به طور مجازی توانسته‌اند که جهان را به طور کامل شبیه‌سازی کنند و آن را برای دسترسی عموم قرار داده‌اند.

محققان نام این شبیه‌سازی جهان را اوچو Uchuu نامیدند. اوچو یک کلمه ژاپنی به معنای فضای بیرونی است. شبیه‌سازی اوچو واقعی‌ترین و کامل‌ترین نوع شبیه‌ساز بشری از جهان است.

• 

شبیه‌ساز اوچو حاوی ۲.۱ تریلیون ذره در فضایی به پهنای ۹.۶۳ میلیارد سال نوری است که تکامل جهان طی ۱۳.۸ میلیارد سال را مدل سازی می‌کنند. جالب است بدانید که ۹.۳۶ میلیارد سال نوری برابر با سه چهارم فاصله زمین و دورترین کهکشان مشاهده شده در کیهان است. این سطح از تکامل جهان و تا ۱۳ میلیارد سال نوری بی‌سابقه است و یکی از باجزئیات‌ترین انواع مدل‌سازی‌های ممکن است؛ در واقع اوچو یکی از کامل‌ترین تصاویر مجازی را از جهان هستی ارائه می‌دهد. بسیاری از جزئیات که در مدل اوچو قابل مشاهده هستند در دنیای واقعی مشاهده آن‌ها در تخیل دانشمندان این علوم هم نمی‌گنجد.

جزئیات شبیه‌ساز اوچو تا اندازه‌ای زیاد است که شناسایی خوشه‌های کهکشانی و هاله ماده تاریک کهکشان‌های مجزا که اطلاعاتی در خصوص جهان اولیه فراهم می کنند نیز برای پژوهشگران تا حد زیاد آسان شده است.

در این شبیه‌ساز هر مقیاسی از اجرام کهکشان را می‌تواند مشاهده کرد، فرقی نمی‌کند که این اجرام در مقیاسی بزرگ‌تر از خوشه‌های کهکشانی باشند و یا حتی کوچک‌ترین کهکشان‌ها را در بربگیرند؛ اوچو با کیفیتی باورنکردنی می‌تواند نسخه شبیه سازی شده آن‌ها را ارائه دهد.

درست است که جزئیات اوچو تا اندازه زیادی دقیق است اما انتظار نداشته باشید که با مشاهده این نسخه شبیه‌سازی شده امپراطوری بیگانگان را بر سیارات دیگر کشف کنید. اما در مقیاس‌های بزرگ‌تر که خوشه‌های کهکشانی است این شبیه‌ساز به طرز شگفت‌آوری دقیق عمل می‌کند.

اوچو را می‌توان به یک ماشین زمان تشبیه کرد که کاربران در هنگام تماشای آن خود را یک مسافر حقیقی در سیر سریع زمان می‌بینند. همانگونه که پیش‌تر اشاره کردیم، اوچو تقریبا تا حدود ۱۳.۸ میلیارد سال از روند تکامل ماده را در کل تاریخ کیهان یعنی از بیگ بنگ تا به امروز را شبیه‌سازی کرده است؛ همین موضوع باعث می‌شود که پژوهشگران به شباهت بیشتر شبیه‌سازی اوچو و ماشین زمان پی ببرند؛ زیرا بدون وجود اوچو مشاهده چنین بازه‌ای از زمان ناممکن بود. برای این که تصوری از چنین مقیاس بزرگی برای شما ساده‌تر باشد باید بگوییم که اولین باری که موجودات برای زندگی به خشکی‌ها مهاجرت کردند ۳۰ برابر کوچک‌تر از مقیاس کنونی اوچو است.

جولیا اف ارزا Julia F. Ereza، دانشجوی دکترا از موسسه اختر فیزیک اسپانیا درباره اهمیت اوچو در این بازه زمانی چنین می‌گوید:

«اوچو مانند یک ماشین زمان در عصر حاضر است که می‌توانیم آن را کنترل کنیم به صورتی که در هر نقطه از کیهان که بخواهیم به سمت جلو یا عقب برویم و یا در یک زمان خاص متوقف بشویم. می‌توانیم بر روی یک کهکشان خاص تمرکز کنیم و یا به سادگی در لابه‌لای خوشه‌های کیهانی به سفر خود ادامه بدهیم. با استفاده از شبیه‌سازی اوچو و با چنین جزئیاتی که این شبیه‌سازی ارائه می‌دهد به سادگی می‌توانیم تاریخچه دقیق گیتی را مشاهده کنیم. می‌توانیم بدانیم که در یک زمان خاص از چرخه زندگی کیهان چه چیزهایی رخ داده است. اگر به طور خلاصه بخواهم بگویم اوچو یک ابزار مهم و ضروری برای هر شخصی است که به بررسی و پژوهش در حوزه کیهان و اخترفیزیک علاقه دارد.»

یک تیم بین المللی از پژوهشگران کشورهای مختلف توانستند در مدت یک سال این شبیه‌سازی را به صورت کامل به انجام برسانند. این پژوهشگران که از کشورهای ژاپن، اسپانیا، ایالات متحده، آرژانتین، استرالیا، شیلی، فرانسه و ایتالیا بودند در مدت یک سال توانستند اوچو را با استفاده از ATERUI II، یعنی قدرتمندترین ابر رایانه نجومی جهان به صورت کامل شبیه‌سازی و تکمیل کنند. درست است که ابر رایانه یکی از قدرتمندترین رایانه‌های عصر حاضر در جهان بود اما جمع‌آوری و سازماندهی این حجم عظیم از اطلاعات کیهانی نیازمند زمان و انرژی زیادی بود به همین دلیل با یکی از بهترین رایانه‌های جهان و وجود گروهی از دانشمندان اخترفیزیک باز هم جمع‌آوری چنین اطلاعاتی کار دشواری بود و حداقل به ۳۶۵ روز تلاش مداوم نیازمند بود.

تومواکی ایشیاما Tomoaki Ishiyama، دانشیار در دانشگاه چیبا که کد تولید شده برای تولید اوچو را توسعه داد، درباره روند تولید این شبیه‌ساز اطلاعاتی را در اختیار ما قرار داد. او گفت که مهندسین و دانشمندان برای تولید شبیه‌ساز اوچو از چیزی حدود ۴۰،۲۰۰ پردازنده (هسته CPU) به طور انحصاری به مدت ۴۸ ساعت در هر ماه استفاده کردند تا بتوانند چنین اطلاعاتی را استخراج و ذخیره کنند.

جمع‌آوری چنین اطلاعاتی چیزی حدود بیست میلیون ساعت برای یک ابر رایانه قوی زمان برد و در نهایت ۳ پتابایت داده تولید شد. برای این که تصوری از ۳ پتابایت داشته باشید باید این نکته را هم اضافه کنیم که این مقدار داده معادل ۸۹۴،۷۸۴،۸۵۳ عکس از یک تلفن همراه ۱۲ مگاپیکسلی است. به بیان دیگر این میزان از اطلاعات چیزی معادل ۳ میلیون گیگابایت است و این میزان قابل‌توجهی از داده نیاز به بارگیری داشت.

شاید ذخیره و استخراج این اطلاعات به اندازه کافی کار مشکلی بود اما بارگیری چنین حجم عظیمی از اطلاعات در نوع خود مشکل بسیار بزرگ‌تری محسوب می‌شد. برای این که شبیه‌ساز اوچو به وجود بیاید این حجم از اطلاعات باید بدون کاستی بارگیری می‌شدند؛ به همین دلیل دانشمندان و پژوهشگران این پروژه از روش فشرده‌سازی برای کم‌کردن حجم اطلاعات استفاده کردند. در واقع با کم‌کردن حجم اطلاعات پژوهشگران می‌توانستند با دردسر کم‌تری از اطلاعات را بارگیری کنند اما این اطلاعات پس از فشرده‌سازی هم حجم قابل‌توجهی داشتند.

با این تکنیک، محققان اطلاعات مربوط به شکل‌گیری ماده تاریک و تکامل هاله‌های تاریک را فشردده سازی کردند و در نهایت به حجمی برابر با ۱۰۰ ترابایت رسیدند که با توجه به زیاد بودن حجم آن می‌شد برای ذخیره این اطلاعات از درایوهای نوری استفاده کرد.

با این زیرساخت‌ها و تدابیر محاسباتی از سمت محققان موسسه اخترفیزیک اسپانیا و مرکز ابررایانه گالیسیا پس از تلاش بسیار فرمتی از این اطلاعات برای دسترسی مردم قرار گرفت.

محققان قصد دارند که در آینده نه چندان دور کاتالوگی مجازی از کهکشان‌های مختلف را در اختیار مردم قرار بدهند. به وجود آمدن شبیه‌ساز اوچو نقطه مهمی در علم نجوم بود زیرا با استخراج چنین اطلاعات مهمی ماموریت‌های آینده بسیار آگاهانه‌تر خواهد بود و از سمت دیگر این موضوع می‌تواند تا حد زیادی بر روی تفسیر اطلاعات به دست آمده از کیهان اثرگذار باشد.

اوچو یک سکوی پرتاب مهم برای تحقیقات حوزه اخترفیزیک بوده است زیرا علاوه بر اکتشافات نو، دید دقیق‌تری را از کیهان در اختیار دانشمندان گذاشته است.