الكون شاسع، وحساب كيفية توزيع المجرات والمادة المظلمة فيه ليست بالمهمة السهلة. عادةً، يشغّل العلماء محاكاة حاسوبية "تمثّل" تطور مناطق كاملة من الفضاء يبلغ حجمها مليارات السنين الضوئية. لكن هذه الحسابات تتطلب موارد ووقتًا هائلين. المادة المظلمة غير مرئية، لكنها هي التي تحدد، مثل هيكل خفي، أين تتجمع المجرات.
الطريقة الجديدة تشبه عمل المرمّم الذي يعيد بناء فسيفساء ضخمة من عدة شظايا محفوظة. بدلاً من نمذجة الحجم الهائل بأكمله، يأخذ الباحثون مكعبات صغيرة من الفضاء — يبلغ عرض كل منها حوالي 50 ميغا فرسخ فلكي (أي ما يعادل المسافة التي يقطعها الضوء في 163 مليون سنة). هناك العديد من هذه المكعبات، ولكل منها كثافته الخاصة: في بعض الأماكن تكون المادة أكثر قليلاً، وفي البعض الآخر أقل. بعد تدريب النموذج على هذه القطع، يمكن "لصقها" معًا لتكوين صورة كاملة لتوزيع الكتلة.
السر هو أن النموذج يأخذ في الاعتبار كيف تؤثر كثافة كل قطعة على عدد المجرات داخلها. ثم، بمعرفة مدى تكرار المناطق ذات الكثافات المختلفة، يمكن جمع كل المساهمات للحصول على صورة شاملة. الأمر أشبه برغبتك في معرفة متوسط طول الناس في مدينة، لكن بدلاً من إحصاء جميع السكان، تقيس الأطوال في عدد قليل من الأحياء — الفقيرة والغنية، القديمة والجديدة — ثم تحسب المتوسط بشكل صحيح.
هذا النهج يفتح الطريق لدراسة أصغر المجرات، التي كان من الصعب سابقًا "التقاطها" في المحاكاة الكبيرة. وفي المستقبل، تلسكوبات جديدة مثل Euclid وRoman ستجمع بيانات عن مليارات المجرات. لفهم هذه البيانات، سنحتاج إلى مثل هذه الأساليب السريعة والذكية.
كما كتبه المؤلفون، بالإنجليزية arXiv:2604.17981
We present a new method for emulating the halo mass function (HMF) and other distribution functions in large effective volumes, down to low halo masses, whilst simultaneously modifying large ranges of parameters, for a fraction of the cost of traditional periodic cosmological simulations. We demonstrate the method by selecting small regions, $$V \sim (50 \,h^{-1}{\rm Mpc})^3$$, with a range of overdensities from the Quijote suite, consisting of tens of thousands of $$(1 \,h^{-1}{\rm Gpc})^3$$ $$N$$-body simulation volumes run with varying $$\Lambda$$CDM parameters. We train a differentiable emulator, conditioned on the overdensity of the region and these global parameters, to reproduce the halo mass function in these regions. We then successfully recover the global distribution of halo masses of the entire box by integrating over the overdensity distribution. Our approach uses just $$\sim\,$$0.026% of the original simulation volume, and suggests that suites of targeted `zoom' simulations, extracted from low resolution parent volumes, can be used to emulate large volume simulations at a fraction of the computational cost, whilst simultaneously pushing the dynamic range to much lower masses than can be achieved in periodic simulations. We discuss emulation of other key dark matter and baryonic distribution functions, as well as higher order statistics, with implications for the interpretation of upcoming wide field surveys on observatories such as Euclid, Roman and Rubin.
حجم المكعب الصغير الواحد في الطريقة الجديدة هو تقريبًا مكعب طول ضلعه 50 ميغا فرسخ فلكي. إذا سافرت عبره بسرعة الضوء، ستستغرق الرحلة 163 مليون سنة.