Μπορούμε να κάνουμε μια προσομοίωση όλου του Σύμπαντος;

Ένας από τους βασικούς στόχους της Αστροφυσικής είναι η κατανόηση της φυσικής που κάνει το Σύμπαν να συμπεριφέρεται και να μοιάζει όπως είναι σήμερα. Αστρονόμοι παρατηρούν το Σύμπαν και προσπαθούν να καταλάβουν την φυσική που κρύβεται πίσω από κάθε παρατήρηση ενώ οι θεωρητικοι αστροφυσικοί κάνουν το ανάποδο με θεωρητικούς υπολογισμούς. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις λαμβάνουν υπόψη την φυσική που γνωρίζουμε σήμερα και “χτίζουν” αστέρια, γαλαξίες είτε ακόμη και ολόκληρο το Σύμπαν σε ένα “υπολογιστικό κουτί” ώστε να δούμε αν οι υποθέσεις μας οδηγούν σε αποτελέσματα που είναι παρατηρήσιμα. Μια αριθμητική προσομοίωση λύνει ταυτόχρονα στον υπολογιστή όλες τις εξισώσεις που είναι σχετικές για το πρόβλημα φυσικής που μελετάμε. Για παράδειγμα αν θέλουμε να προσομοιώσουμε ένα αστέρι, τότε μας ενδιαφέρει μόνο το ρευστό που απαρτίζει ένα άστρο. Αν από την άλλη θέλουμε να προσομοιώσουμε έναν γαλαξία τότε θέλουμε να λάβουμε υπόψιν μας πολλά αστέρια, τη μεσοαστρική ύλη, την σκοτεινή ύλη και πως όλα αυτα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Στην τελευταία περίπτωση όμως δεν μας απασχολούν οι μικροφυσικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των άστρων διότι οι διαδικασίες αυτές δεν είναι σημαντικές στις κλίμακες ολόκληρου του γαλαξία.

Μπορούμε να το φανταστούμε σα να αναζητούμε την ιδανική συνταγή για ένα κέικ. Αν προσθέσουμε περισσότερο ή λιγότερο από ένα συστατικό, δεν θα φτιάξουμε το τέλειο κέικ!

Ένας περιοριστικός παράγοντας των προσομοιώσεων είναι η “ανάλυση”. Η ανάλυση στο περιεχόμενο των προσομοιώσεων αναφέρεται στην ακρίβεια με την οποία μπορούμε να κάνουμε τις προσομοιώσεις μας. Φανταστείτε να θέλαμε να σχεδιάσουμε έναν γαλαξία ως πολλές κουκίδες. Ένα σκίτσο γαλαξία με 20 κουκκίδες είναι χαμηλής ανάλυσης ενώ ένα σκίτσο με 20000 κουκίδες είναι υψηλής ανάλυσης. Άρα πόση ανάλυση χρειαζόμαστε για να προσομοιώσουμε ολόκληρο το Σύμπαν; Όλα τα άτομα, τους πλανήτες, τα αστέρια, τους γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών; Θα είναι ποτέ δυνατό να προσομοιώσουμε ολόκληρο το Σύμπαν με όλες τις φυσικές διαδικασίες που γνωρίζουμε;

Μέχρι τώρα, για τις μεγαλύτερες κοσμολογικές προσομοιώσεις* που έχουμε καταφέρει να κάνουμε, ακόμη και χρησιμοποιώντας τους μεγαλύτερους υπερυπολογιστές, τα σωματίδια που αντιπροσωπεύουν τα άστρα, δεν αφορούν μεμονωμένα αστέρια, αλλά στην πραγματικότητα μοντελοποιούν μια κατανομή από εκατομμύρια άστρα. Σκεφτείτε το παραπάνω παράδειγμα με το σκίτσο του γαλαξία. Είναι σαν μια κουκίδα (= ένα αστέρι της προσομοίωσης) να αντιπροσωπεύει μερικά εκατομμύρια αστέρια σε έναν πραγματικό γαλαξία.

Για να δούμε λοιπόν κάποια χαρακτηριστικά μεγέθη για τα διάφορα αντικείμενα που μας ενδιαφέρουν. Ας ξεκινήσουμε από τις μεγαλύτερες δομές του Σύμπαντος προς τις μικρότερες.

Αρχικά, γνωρίζουμε ότι το παρατηρήσιμο Σύμπαν έχει διάμετρο 90000 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα (αυτό είναι 9 ακολουθούμενο από 23 μηδενικά!) και είναι περίπου 14 δισεκατομμυρίων ετών! (Αναφερόμαστε στο παρατηρήσιμο Σύμπαν διότι δεν ξέρουμε πόσο εκτείνεται πέρα από όσο μπορούμε να παρατηρήσουμε!)

Στη συνέχεια, μπορούμε να πάμε σε μεμονωμένους γαλαξίες. Οι γαλαξίες έχουν διαφορετικά σχήματα και μεγέθη από μερικά εκατομμύρια μέχρι δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου και παραμένουν αμετάβλητοι σε κλίμακες περίπου 100 εκατομμυρίων ετών.

Οι γαλαξίες αποτελούνται από αστέρια (μεταξύ άλλων). Τώρα τα πράγματα γίνονται πιο περίπλοκα. Το μέγεθος των αστέρων μπορεί να κυμαίνεται από ~20 μέχρι δισεκατομμύρια χιλιόμετρα. Λαμβάνοντας υπόψη τις χρονικές κλίμακες στις οποίες εξελίσσονται τα αστέρια (βλ. εικόνα 2), αστέρια μικρής ή μεσαίας μάζας σαν τον Ήλιο μας παραμένουν ήσυχα (στα πλαίσια του γαλαξία) για μερικά δισεκατομμύρια χρόνια, δεν αλληλεπιδρούν δηλαδή με το περιβάλλον τους σε γαλαξιακές κλίμακες. Αστέρια με πολύ μεγαλύτερη μάζα από τον Ήλιο ωστόσο, εξελίσσονται πιο γρήγορα, σε χρονικές κλίμακες του ενός εκατομμυρίου χρόνων. Πιο συγκεκριμένα, αστέρια μεγάλης μάζας (~ 8 φορές την μάζα του Ήλιου) τελειώνουν τη ζωή τους σαν εκρήξεις υπερκαινοφανών και έτσι εμπλουτίζουν τον μεσοαστρικό χώρο με νέο υλικό.

Στο εσωτερικό των άστρων φτάνουμε να έχουμε σύντηξη πυρηνικών στοιχείων. Στον Ήλιο μας συμβαίνουν 9×10³⁷ πυρηνικές αντιδράσεις το δευτερόλεπτο με σωματίδια που έχουν μέγεθος ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του χιλιομέτρου!!

Όπως φαίνεται από τον παραπάνω πίνακα, για να χτίσουμε μια προσομοίωση που να περιλαμβάνει όλη τη φυσική που γνωρίζουμε έως τώρα θα πρέπει να καλύψουμε 79 τάξεις μεγέθους σε μάζα, 36 τάξεις μεγέθους σε έκταση και 18 τάξεις μεγέθους σε χρόνο. Τώρα λοιπόν είναι εμφανές γιατί είναι πολύ δύσκολο να συμπεριλάβουμε, με μεγάλη λεπτομέρεια, όλη τη φυσική που γνωρίζουμε.

Σίγουρα προς το παρόν είναι αδύνατον! Είναι επίσης πιθανό να παραμείνει αδύνατο! Με τις εξελίξεις στον χώρο τον υπολογιστών βέβαια ίσως μια μέρα μπορέσουμε να προσομοιώσουμε ολόκληρο το Σύμπαν από τη σύντηξη των ατόμων μέχρι τις μεγαλύτερες κλίμακες των γαλαξιακών σμηνών και τελικά όλου του παρατηρήσιμου Σύμπαντος.

*Κοσμολογικές προσομοιώσεις αναφέρονται ως οι προσομοιώσεις που έχουν στόχο να προσομοιώσουν ολόκληρο το Σύμπαν ή ένα μεγάλο μέρος αυτού. Περιλαμβάνουν πολλούς γαλαξίες, ομάδες γαλαξιών, γαλαξιακά σμήνη και ακόμη μεγαλύτερες δομές. Σε αυτές τις προσομοιώσεις οι υπολογισμοί ξεκινάνε σχεδόν στην αρχή του Σύμπαντος και εξελίσσουν το σύστημα μέχρι να δημιουργηθούν οι γαλαξίες όπως τους βλέπουμε σήμερα.