دانشمندان دو میلیارد سال اول جهان را بازسازی کردند!

به گزارش اطلاعات آنلاین به نقل از وبسایت Smithsonian، دانشمندان یکی از بزرگترین و دقیق‌ترین شبیه‌سازی‌های جهان اولیه را که تاکنون توسعه یافته است، ایجاد کرده‌اند و روشی جدید و قابل توجه برای بررسی چگونگی تکامل کیهان پس از بیگ بنگ ارائه می‌دهند. این شبیه‌سازی که با نام "لومینا" شناخته می‌شود، توسط محققان مرکز اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونیان ساخته شده است تا به ستاره‌شناسان در تفسیر مشاهدات ابزارهای قدرتمندی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و تلسکوپ فضایی نانسی رومن کمک کند.

این شبیه‌سازی پیشگامانه، ۲ میلیارد سال اول جهان را بازسازی می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه ماده تاریک، گاز و تابش با هم تعامل داشته‌اند تا اولین ستاره‌ها، کهکشان‌ها و سیاهچاله‌ها را به وجود آورند.

این تحقیق که در ماهنامه انجمن سلطنتی نجوم منتشر شده است، با مدل‌سازی برهمکنش‌های بین ماده معمولی، ماده تاریک و تابش، 2 میلیارد سال اول جهان را بازسازی می‌کند. دانشمندان با مقایسه پیش‌بینی‌های لومینا با مشاهدات JWST، رومن و سایر تلسکوپ‌ها، می‌توانند ارزیابی کنند که نظریه‌های موجود تا چه حد تکامل کیهانی را توضیح می‌دهند و اکتشافاتی را شناسایی کنند که ممکن است درک آنها از قوانین اساسی جهان را به چالش بکشد.

ستاره‌شناسان قرن‌ها صرف مطالعه آسمان و توسعه توضیحاتی برای شکل‌گیری ستارگان، کهکشان‌ها و سایر ساختارهای کیهانی کرده‌اند. ابررایانه‌های مدرن اکنون تبدیل این ایده‌ها به شبیه‌سازی‌های دقیقی را امکان‌پذیر می‌سازند که پیش‌بینی می‌کنند جهان چگونه باید رفتار کند. وقتی مشاهدات تلسکوپ با این پیش‌بینی‌ها مطابقت داشته باشد، اعتماد به نظریه‌های فعلی را تقویت می‌کند. با این حال، تفاوت‌های غیرمنتظره ممکن است به فرآیندهای فیزیکی اشاره داشته باشند که دانشمندان هنوز به طور کامل آنها را درک نکرده‌اند.

«الیور زیر»، محقق اصلی و عضو ITC در مرکز اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونیان، گفت: "با JWST، جهان اولیه به مرز جدید و هیجان‌انگیزی در اخترفیزیک تبدیل شده است. برای درک آنچه با این تلسکوپ می‌بینیم، باید نظریه‌های خود را به پیش‌بینی‌های دقیق تبدیل کنیم. پس از چندین سال کار، با فراز و نشیب‌های فراوان، دیدن نتایج شبیه‌سازی و تماشای تحقق پیش‌بینی‌های ما در ویدیو بسیار ارزشمند است."

بازسازی ۲ میلیارد سال اول جهان

لومینا بزرگترین شبیه‌سازی هیدرودینامیک تابش کیهانی است که تاکنون تولید شده است. به عبارت ساده، از رایانه‌های قدرتمندی برای محاسبه چگونگی تأثیر گاز، ماده تاریک و نور بر یکدیگر در طول توسعه جهان جوان استفاده می‌کند. با دنبال کردن این تعاملات در طول ۲ میلیارد سال اول پس از بیگ بنگ، محققان می‌توانند بررسی کنند که چگونه اولین کهکشان‌ها شکل گرفته‌اند و چگونه فعالیت آنها ابرهای عظیم گاز اطراف آنها را تغییر داده است.

این شبیه‌سازی، حجمی از فضا را مدل‌سازی می‌کند که بیش از ۱۰۰ برابر بزرگتر از حجمی است که توسط پروژه‌های مشابه قبلی پوشش داده شده است. جهان مجازی آن مکعبی به طول تقریبی ۱.۵ میلیارد سال نوری از هر طرف را در بر می‌گیرد و نمایی از تکامل کیهانی را در مقیاسی قابل مقایسه با مناطق وسیعی ارائه می‌دهد که پیشرفته‌ترین تلسکوپ‌های امروزی می‌توانند مطالعه کنند.

پیشرفت بزرگ دیگر، نحوه برخورد لومینا با یونیزاسیون مجدد هلیوم است؛ فرآیندی که در آن تابش، الکترون‌ها را از اتم‌های هلیوم جدا می‌کند. برای اولین بار، شبیه‌سازی از این نوع، این تحول را در حین آشکار شدن دنبال می‌کند و همزمان نحوه تأثیر آن بر جهان اطراف را نیز در نظر می‌گیرد. این به دانشمندان اجازه می‌دهد تا رابطه بین کهکشان‌های در حال تکامل، تابش و گازی که فضای بین آنها را پر می‌کند، مطالعه کنند.

یک ابررایانه عظیم، کیهان مجازی را قدرتمند می‌کند

بازآفرینی چنین بخش عظیمی از تاریخ کیهانی، نیازمند منابع محاسباتی فوق‌العاده‌ای بود. این تیم از بیش از ۱۵۰۰۰ واحد پردازش گرافیکی در Frontier استفاده کرد؛ یکی از سریع‌ترین ابررایانه‌های جهان که در آزمایشگاه ملی اوک ریج در تنسی قرار دارد.

این قدرت پردازش، محققان را قادر ساخت تا منطقه‌ای فوق‌العاده بزرگ از جهان اولیه را بدون از دست دادن جزئیات دقیق مورد نیاز برای بررسی کهکشان‌های منفرد و سایر ساختارهای مهم، شبیه‌سازی کنند. در نتیجه، لومینا می‌تواند تکامل گسترده‌تر کیهان را ثبت کند و در عین حال فرآیندهای دخیل در شکل‌گیری ستارگان، کهکشان‌ها و سیاهچاله‌ها را نیز ردیابی کند.

آزمایش اسرار جهان اولیه

لومینا فراتر از بازآفرینی تاریخ کیهانی، چارچوب جدید قدرتمندی برای بررسی چگونگی توسعه جهان ارائه می‌دهد. محققان قصد دارند از آن برای بررسی حرکت گاز بین کهکشان‌ها، تأثیر تابش باقی مانده از بیگ بنگ و ظهور مناطقی استفاده کنند که ستارگان با سرعت بسیار بالایی در آنها شکل گرفته‌اند.

دانشمندان امیدوارند با قرار دادن این پیش‌بینی‌ها در کنار مشاهدات تلسکوپ فضایی جیمز وب، تلسکوپ فضایی نانسی رومن و سایر ابزارها، تصویر کامل‌تری از نخستین فصل‌های جهان بسازند. هرگونه تفاوت غیرمنتظره بین کیهان شبیه‌سازی شده و کیهان واقعی می‌تواند سرنخ‌های ارزشمندی ارائه دهد و به طور بالقوه نشان دهد که نظریه‌های فعلی در چه مواردی نیاز به اصلاح یا بازنگری دارند.