شبیه‌سازی‌های قدرتمند چگونگی تغییر جهان توسط اولین ستاره‌ها را نشان می‌دهند

این کار بخشی از پروژه MEGATRON است که توسط محققان دانشگاه بث در انگلستان با همکاری محققان دانشگاه شیکاگو در ایالات متحده و Institut d'Astrophysique de Paris در فرانسه رهبری می‌شود. این پروژه با هدف بررسی چگونگی روشن کردن جهان تاریک توسط اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها و شروع به تولید و پراکنده کردن عناصر شیمیایی که بعداً به مواد ضروری سیارات، حیات و دنیای اطراف ما تبدیل شدند، طراحی شده است.

چهار مطالعه از MEGATRON که در Open Journal of Astrophysics منتشر شده‌اند، شبیه‌سازی‌های کیهان‌شناسی پیشرفته را با مدل‌های دقیق تابش، شیمی و شکل‌گیری کهکشان ترکیب می‌کنند. در مجموع، آنها اولین مجموعه بزرگ از نتایج منتشر شده این همکاری را نشان می‌دهند و مطالعات بیشتری در آینده انتظار می‌رود.

ارتباط دادن JWST با سرنخ‌های ستاره‌ای باستانی

یافته‌ها نشان می‌دهد که محققان باید تعاملات پیچیده بین نور ستاره‌ای، گاز و عناصر تازه ایجاد شده را به طور دقیق مدل‌سازی کنند تا بتوانند دو رکورد مختلف از جهان اولیه را به هم متصل کنند.

یکی از مشاهدات کهکشان‌های جوان توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) است. دیگری از امضاهای شیمیایی حفظ شده در برخی از قدیمی‌ترین ستاره‌های کهکشان راه شیری - کهکشان حاوی منظومه شمسی ما - است.

JWST به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد تا مستقیماً کهکشان‌های دوران نوزادی جهان را مشاهده کنند. ستاره‌های باستانی شواهد متفاوتی را ارائه می‌دهند و به عنوان یک سابقه فسیلی از رویدادهایی که میلیاردها سال پیش رخ داده‌اند عمل می‌کنند. با بررسی اثر انگشت‌های شیمیایی درون این ستاره‌های قدیمی، دانشمندان می‌توانند استنباط کنند که اولین ستاره‌ها چگونه بودند و چگونه شروع به غنی‌سازی کیهان با اولین عناصر شیمیایی خود کردند.

شبیه‌سازی‌های MEGATRON یک کهکشان جوان را در حین تکامل به سیستمی تقریباً قابل مقایسه با جرم راه شیری دنبال می‌کنند. مدل‌ها به طور همزمان نحوه حرکت گاز، نحوه حرکت نور ستاره‌ای در فضا و نحوه تغییر غلظت‌های مختلف عناصر شیمیایی در طول زمان را ردیابی می‌کنند.

این به محققان اجازه می‌دهد تا بررسی کنند که چگونه نسل‌های ستاره‌ای گاز درون و اطراف کهکشان‌ها را در طول میلیاردها سال تکامل تغییر می‌دهند.

مدل‌های ساده‌تر ممکن است فیزیک مهمی را از دست بدهند

نتایج نشان می‌دهد که مدل‌های دقیق‌تر ممکن است اثر قوی تابش ستاره‌ای و فرآیندهای شیمیایی پیچیده را بر روی گاز اطراف کهکشان‌ها دست کم بگیرند.

با شبیه‌سازی این اثرات با وضوح فوق‌العاده بالا، محققان توانستند ساختارهایی را در گاز که رویکردهای ساده‌تر از دست می‌دهند، ثبت کنند. این جزئیات اضافی می‌تواند به ستاره‌شناسان کمک کند تا پیش‌بینی‌های دقیق‌تری برای مشاهداتی که اکنون جمع‌آوری می‌شوند و برای آنهایی که در آینده برنامه‌ریزی شده‌اند، انجام دهند.

نگاهی مستقیم به جهان نوزاد

دکتر مارتین ری از بخش فیزیک دانشگاه بث و یکی از مشارکت‌کنندگان اصلی در همکاری MEGATRON گفت: «تلسکوپ فضایی جیمز وب نگاهی مستقیم به جهان نوزاد به ما می‌دهد، در حالی که باستان‌شناسی ستاره‌ای به ما امکان می‌دهد بقایای آن زمان‌های اولیه را در همسایگی کهکشانی خود مطالعه کنیم. MEGATRON یک پل فیزیکی بین این دو فراهم می‌کند.»

شبیه‌سازی‌ها با گاز دست‌نخورده‌ای که حاوی هیچ عنصر سنگینی نیست شروع می‌شوند و شرایطی را که بلافاصله پس از بیگ بنگ وجود داشت، بازتولید می‌کنند.

از آنجا، مدل‌ها تشکیل اولین ستاره‌ها، تابشی که این ستاره‌ها منتشر می‌کنند، انفجارهای ابرنواختری که در پایان عمرشان رخ می‌دهند و گسترش عناصر تازه ایجاد شده به نسل‌های بعدی ستاره‌ها و کهکشان‌ها را دنبال می‌کنند.

بازسازی این فرآیند می‌تواند به پاسخ دادن به یکی از اساسی‌ترین سوالات نجوم کمک کند: عناصر سازنده جهان مدرن از کجا آمده‌اند؟

دکتر ری گفت: «عناصری که دنیای ما و حیات را می‌سازند - کربن، اکسیژن، آهن و بسیاری دیگر - توسط ستاره‌ها ساخته شده‌اند. برای درک اینکه این عناصر از کجا آمده‌اند، باید درک کنیم که اولین ستاره‌ها چگونه تشکیل شده‌اند و محیط اطراف خود را غنی کرده‌اند. MEGATRON به ما امکان می‌دهد این ایده‌ها را مستقیماً با مقایسه شبیه‌سازی‌های دقیق با مشاهدات JWST و اثر انگشت‌های شیمیایی حفظ شده در ستاره‌های باستانی آزمایش کنیم.»

ردیابی منشأ عناصر کیهانی

با پیشرفت پروژه، محققان قصد دارند از MEGATRON برای ایجاد ارتباطات قوی‌تری بین مدل‌های نظری و مشاهدات نجومی در حال بهبود استفاده کنند.

JWST به آشکارسازی اطلاعات جدیدی در مورد برخی از قدیمی‌ترین کهکشان‌های شناخته شده ادامه می‌دهد، در حالی که بررسی‌های بزرگ ستاره‌ای اندازه‌گیری‌های فصلی دقیق‌تری از ستاره‌های باستانی در و اطراف راه شیری تولید می‌کنند. ترکیب این دو منبع شواهد می‌تواند به دانشمندان تصویری روشن‌تر از نسل‌های اول ستاره‌ها بدهد.

دکتر ری و همکارانش در بث در حال حاضر بر روی نسل بعدی شبیه‌سازی‌های MEGATRON کار می‌کنند.

این پروژه 40 میلیون ساعت پردازنده را در ابررایانه‌های ملی انگلستان دریافت کرده است. این میزان قدرت محاسباتی معادل اجرای پنج میلیون لپ‌تاپ به طور همزمان به مدت یک سال است.

منابع اضافی به تیم اجازه می‌دهد تا شبیه‌سازی‌هایی با وضوح حتی بیشتر و مدل‌های فیزیکی کامل‌تر بسازند. محققان سپس می‌توانند مقایسه‌های مستقیم‌تری بین شبیه‌سازی‌های خود، مشاهدات JWST و سابقه فسیلی شیمیایی حفظ شده در ستاره‌های باستانی انجام دهند.

«MEGATRON یک چارچوب فیزیکی مشترک برای تفسیر دو مجموعه هیجان‌انگیز جدید از داده‌های نجوم فراهم می‌کند: دید JWST از اولین کهکشان‌ها و سابقه فسیلی ستاره‌ای»، گفت دکتر ری. «با هم، این مشاهدات مکمل به ما امکان می‌دهند مدل‌های رقیب اولین ستاره‌ها را به روش‌هایی که قبلاً امکان‌پذیر نبود، آزمایش کنیم.»

پروژه MEGATRON در سال 2023 آغاز شد و قرار است تا سال 2030 ادامه یابد.