یک شبیه‌سازی کامپیوتری جدید و قدرتمند به دانشمندان اجازه می‌دهد تا یکی از مرموزترین دوره‌های تاریخ کیهان را کشف کنند، زمانی که جهان از تاریکی بیرون آمد و اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها شروع به دگرگونی کیهان کردند.
این شبیه‌سازی که Lumina نام دارد توسط محققان MIT، دانشگاه هاروارد و سایر موسسات توسعه یافته است، تکامل جهان اولیه را در منطقه‌ای به وسعت 1.6 میلیارد سال نوری بازسازی می‌کند. این 2 میلیارد سال از تاریخ کیهانی را ردیابی می کند و نشان می دهد که چگونه کهکشان ها شکل گرفته اند، چگونه تشعشعات در فضا پخش می شوند و چگونه جهان به تدریج به نور شفاف می شود.
این مطالعه، منتشر شده در اعلامیه های ماهانه انجمن سلطنتی نجوم (MNRAS)، تصویری با جزئیات غیرمعمول از رویدادهایی ارائه می دهد که میلیاردها سال قبل از وجود منظومه شمسی ما رخ داده اند.
چگونه جهان وارد عصر تاریک کیهانی خود شد
تاریخ با بیگ بنگ آغاز می شود، زمانی که جهان در یک حالت بسیار داغ و متراکم پر از الکترون ها و دیگر ذرات زیراتمی وجود داشت. این پلاسمای اولیه که در ابتدا کوچکتر از یک اتم توصیف شد، به سرعت منبسط شد و با رشد جهان سرد شد.
در نهایت، ذرات به اندازه‌ای کاهش می‌یابند که الکترون‌ها با هسته‌های اتمی ترکیب شوند و هیدروژن خنثی الکتریکی تولید کنند. حدود 380000 سال پس از بیگ بنگ، جهان وارد دوره ای شد که به «عصر تاریک» کیهانی معروف است.
اگرچه جهان در برابر بیشتر تشعشعات باقی مانده از انفجار بزرگ شفاف شده است، ستاره ها هنوز برای روشن کردن کیهان شکل نگرفته اند. هیدروژن خنثی فضا را پر می کند و می تواند انواع خاصی از تشعشعات را جذب کند، از جمله نور فرابنفش که بعداً از اولین ستاره ها بیرون می آید.
Lumina به محققان اجازه می دهد تا چگونگی تکامل این محیط اولیه را مطالعه کنند و در نهایت منجر به پیدایش کهکشان ها، ستارگان و دیگر ساختارهایی شد که به پایان دادن به عصر تاریک کمک کردند.
چگونه اولین ستاره ها و سیاهچاله ها جهان را دگرگون کردند
این شبیه سازی منطقه وسیعی به اندازه 500 مگاپارسک، معادل تقریباً 1.6 میلیارد سال نوری را پوشش می دهد. در این حجم، لومینا از ماده تاریک، گاز، ستارگان و تشعشعات (مانند فوتون ها) پیروی می کند و هم رفتار ماده در فواصل بسیار زیاد و هم شکل گیری کهکشان های منفرد را ثبت می کند.
یکی از مهمترین دستاوردهای او بازآفرینی دو تغییر عمده در جهان اولیه بود: یونیزاسیون مجدد هیدروژن و یونیزاسیون مجدد هلیوم.
یونیزه شدن مجدد هیدروژن زمانی آغاز می شود که اولین ستاره ها و کهکشان ها مقادیر فزاینده ای از تابش فرابنفش تولید می کنند. این نور پرانرژی الکترون‌ها را از اتم‌های هیدروژن خنثی حذف می‌کند، فرآیندی که «یونیزاسیون مجدد» گاز نامیده می‌شود. همانطور که بیشتر هیدروژن یونیزه می شود، جهان به طور فزاینده ای در برابر نور ماوراء بنفش شفاف می شود و به تابش اجازه می دهد مسافت های بسیار بیشتری را طی کند.
این دگرگونی به پاکسازی هیدروژن خنثی گسترده ای که بر کیهان اولیه حاکم بود کمک کرد. Lumina این فرآیند را با جزئیات قابل‌توجهی بازتولید می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه تشعشعات اولین نسل از ستارگان به تدریج شرایط را در فضا تغییر می‌دهند.
این شبیه‌سازی همچنین از یونیزاسیون مجدد هلیوم پیروی می‌کند، که به تشعشعات پرانرژی بیشتری برای جدا کردن الکترون‌ها از هلیم نیاز دارد.
نتایج به منابع مختلفی که این دو تحول را هدایت می کنند اشاره می کند. به نظر می‌رسد که ستارگان و کهکشان‌های اولیه عمدتاً مسئول یونیزه کردن هیدروژن بوده‌اند، در حالی که نیروی فعال سیاه‌چاله‌های پرجرم تابش شدید مورد نیاز برای یونیزه کردن هلیوم را تأمین می‌کند.
این اولین شبیه‌سازی است که هر دو فرآیند را با هم نشان می‌دهد و تصویر کامل‌تری از چگونگی تغییر جهان اولیه ارائه می‌دهد.
مارک ووگلزبرگر، نویسنده این مطالعه، استاد فیزیک در MIT، می گوید: «لومینا همه کارها را از شکل گیری ستارگان و کهکشان های کوچک تا یونیزاسیون مجدد هیدروژن و هلیوم در مقیاس بزرگ، با حجمی که 100 برابر بزرگتر از بهترین شبیه سازی های قبلی است، انجام می دهد.
محققان Lumina را در دسترس دانشمندان دیگر قرار می دهند و اجازه می دهند پیش بینی های آن از ساختارهای اولیه کیهانی با مشاهدات تلسکوپ های موجود و آینده مقایسه شود. چنین مقایسه‌هایی می‌تواند به محققان در درک بهتر رویدادهایی که اولین کهکشان‌ها و ستاره‌ها را تشکیل می‌دهند کمک کند.
ساختن یک جهان مجازی با نیم تریلیون عنصر
لومینا نام خود را از کلمه لاتین به معنای “چراغ” گرفته است. فناوری اصلی آن مبتنی بر IllustrisTNG است، شبیه‌سازی قبلی که توسط دانشمندان MIT و سایر موسسات، از جمله اعضای تیم تحقیقاتی Lumina توسعه یافته بود.
IllustrisTNG نحوه شکل گیری و تکامل کهکشان ها را با دنبال کردن فعل و انفعالات ماده تاریک، گاز و سایر فرآیندهای فیزیکی از بیگ بنگ تا امروز مدل می کند.
برای ایجاد Lumina، محققان نرم افزار موجود را ارتقا دادند تا بتواند شکل گیری کهکشان ها را با جزئیات قابل مقایسه در منطقه بسیار بزرگ تری از فضا بازتولید کند. آنها همچنین یک مدل حمل و نقل تشعشعی را ارائه کردند که نحوه حرکت نور، از جمله اشعه ماوراء بنفش، در جهان و برهمکنش با مواد اطراف را محاسبه می کند.
با هم، این پیشرفت‌ها به شبیه‌سازی اجازه می‌دهد تا هم شکل‌گیری کهکشان‌ها و هم تغییرات گسترده‌ای را که تشعشعات در فواصل کیهانی ایجاد می‌کنند، ردیابی کند.
مدل به دست آمده شامل تقریباً نیم تریلیون عنصر منفرد از جمله ذرات ماده تاریک و سلول هایی است که گاز را نشان می دهند. وضوح تصویر تقریباً 30 برابر بیشتر از IllustrisTNG ارائه می کند، در حالی که منطقه ای را 100 برابر بزرگتر از شبیه سازی های پیشرو قبلی پوشش می دهد.
بازآفرینی میلیاردها سال تعامل بین بسیاری از عناصر نیازمند منابع محاسباتی خارق‌العاده‌ای است. محققان از Frontier، یکی از قدرتمندترین ابرکامپیوترهای جهان در آزمایشگاه ملی Oak Ridge در تنسی استفاده کردند.
Xuejian (Jacob) Shen، یکی از نویسندگان این مطالعه در MIT گفت: «در مقیاس اوج، محاسبات معادل بیش از 100000 هسته CPU و حدود 15000 GPU را گرد هم می آورد. وادار کردن تمام این پردازنده‌ها برای برقراری ارتباط موثر در حالی که تریلیون‌ها اطلاعات متقابل دائماً در حال تکامل هستند، به خودی خود یک شاهکار خارق‌العاده در مهندسی کامپیوتر است.
تماشای بیرون آمدن اولین کهکشان ها از تاریکی
لومینا تقریباً 45 میلیون سال پس از بیگ بنگ، در دورانی که هیدروژن خنثی بر جهان سیطره داشت، شروع می شود.
محققان شبیه‌سازی را با استفاده از شرایطی که بر اساس درک دانشمندان از این دوره آغاز شده بود، آغاز کردند. آنها سپس به مدل اجازه دادند تا نحوه برهمکنش گاز و ماده تاریک را در نیم تریلیون عنصر خود با پیشرفت زمان کیهانی محاسبه کند.
در همان زمان، Lumina چگونگی ظهور، انتشار و تعامل پرتوها با ماده، از جمله نور فرابنفش تولید شده توسط ستارگان در حال ظهور را ردیابی می کند.
نتیجه یک جهان مجازی است که دانشمندان می‌توانند در مقیاس‌های بسیار متفاوت، از آرایش ماده در فواصل وسیع کیهانی تا تکامل یک کهکشان، آن را کشف کنند.
در وب سایت این پروژه، محققان ویدئوهایی را منتشر کرده اند که این فرآیندها را در عمل نشان می دهد. یکی پیشنهاد می کند که از کل منطقه شبیه سازی شده به یک کهکشان دیسکی منفرد “زوم” کنید. دیگری یک فاصله زمانی کل حجم را ارائه می دهد که نشان می دهد چگونه یونیزه شدن مجدد هیدروژن در طول 2 میلیارد سال در جهان گسترش یافته است.
Zier توضیح می‌دهد: «از یک طرف، ماده تاریک و همچنین گاز موجود در کیهان، تکامل می‌یابند، و از سوی دیگر، ما همچنین نحوه حرکت تشعشعات را دنبال می‌کنیم». ما می بینیم که ماده تاریک و گاز در این تراکم های بیش از حد شروع به انباشته شدن می کنند. و وقتی بزرگنمایی می کنیم، می توانیم گازی را ببینیم که در این هاله های ماده تاریک می افتد. با بزرگنمایی بیشتر، می بینیم که اینجا جایی است که اولین کهکشان ها تشکیل می شوند. و اولین ستاره ها در اولین کهکشان ها شکل می گیرند. آن ستاره ها سپس تشعشع ایجاد می کنند. شبیه سازی سپس آن تابش را ردیابی می کند، و ما می توانیم از طریق آن تشعشع را ردیابی کنیم، و ما می توانیم از طریق آن تشعشع را دنبال کنیم، و ما می توانیم از طریق آن تشعشع را از طریق آن مشاهده کنیم. جهان تا زمانی که در یک نقطه مقداری هیدروژن خنثی را یونیزه کند.”
این توانایی حرکت بین مقیاس های مختلف یکی از نقاط قوت لومینا است. محققان می‌توانند شکل‌گیری کهکشان‌های منفرد را مطالعه کنند و در عین حال مشاهده کنند که چگونه تشعشعات ترکیبی آنها بر جهان در مقیاس بسیار بزرگ‌تری تأثیر می‌گذارد.
وگلزبرگر خاطرنشان می‌کند: «شبیه‌سازی‌های دیگر نمی‌توانند تا این اندازه بزرگ شوند. “تفاوت بین کوچکترین و بزرگترین مقیاسی که ما شبیه سازی می کنیم بزرگتر از هر شبیه سازی دیگری است.”
روشی جدید برای مطالعه قدیمی ترین تاریخ کیهان
تیم تحقیقاتی قصد دارد از Lumina برای مطالعه آرایش مقیاس بزرگ ماده در جهان اولیه استفاده کند. این شبیه سازی همچنین می تواند به پیش بینی الگوهای امواج گرانشی تولید شده توسط کهکشان های باستانی و سیاهچاله ها کمک کند.
فرصت بزرگ دیگری از مقایسه جهان مجازی Lumina با مشاهدات واقعی بدست خواهد آمد. انتظار می‌رود تلسکوپ‌های جدید و آتی اطلاعات دقیق‌تری را در مورد تعداد زیادی کهکشان دور جمع‌آوری کنند و روش‌های جدیدی را برای آزمایش درک خود از کیهان اولیه در اختیار دانشمندان قرار دهند.
از آنجایی که Lumina چنین حجم زیادی از فضا را شبیه سازی می کند، می تواند جمعیت های گسترده ای از کهکشان ها را ایجاد کند که می تواند مستقیماً با این مشاهدات مقایسه شود.
شن می گوید: «یکی از مزایای اصلی لومینا اندازه بزرگ آن است. جمعیت عظیمی از کهکشان‌های شبیه‌سازی شده را تولید می‌کند، که در نهایت به ما امکان مقایسه با نمونه‌های بسیار بزرگ کهکشان‌هایی را می‌دهد که بررسی‌های آینده مشاهده خواهند کرد.»
Lumina با گرد هم آوردن جزئیات شکل‌گیری کهکشان‌ها، ماده تاریک، گاز و حرکت تشعشعات، ابزار قدرتمند جدیدی را برای بازسازی اولین فصل‌های جهان به محققان ارائه می‌دهد. این می تواند به توضیح نه تنها چگونگی شکل گیری اولین کهکشان ها کمک کند، بلکه چگونه ستاره ها و سیاهچاله های آنها کیهان اطراف خود را تغییر داده اند.
تیم تحقیقاتی و پشتیبانی
نویسندگان مطالعه MIT عبارتند از: Mark Vogelsberger، Xueian (Jacob) Shen و Theodora-Elena Bluichi. همکاران دیگر عبارتند از اولین نویسنده اولیور زیر (همکار سابق فوق دکترا در آزمایشگاه فوگلزبرگر)، رونگرونگ لیو، سونیا کوهلر، و لارس هرنکویست از مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان. آرون اسمیت از دانشگاه تگزاس در دالاس؛ راهول کانان از دانشگاه یورک در کانادا؛ و Volker Springel و Rüdiger Packmore از موسسه ماکس پلانک برای اخترفیزیک در آلمان.
این تحقیق حمایت جزئی از ناسا و بنیاد ملی علوم دریافت کرد. همچنین از منابع محاسباتی در Oak Ridge Leadership Computing Facility در آزمایشگاه ملی Oak Ridge استفاده می‌کند که توسط برنامه‌های تحقیقات محاسباتی علمی پیشرفته در دفتر علوم در وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می‌شود.
