تمنح محاكاة حاسوبية جديدة باسم «لومينا» العلماء رؤية تفصيلية لكيفية تطور الكون المبكر من «عصور الظلام» الكونية إلى المجرات الأولى والنجوم والغاز المعاد تأينه. ونُشرت الدراسة في مجلة «مراجعات شهرية للجمعية الفلكية الملكية»، وهي تجمع بين تشكل المجرات ونقل الإشعاع في نموذج واحد يتتبع التطور الكوني لمدة ملياري سنة.
حقائق أساسية
- تبدأ «لومينا» بعد نحو 45 مليون سنة من الانفجار العظيم، خلال عصور الظلام الكونية.
- تمتد المحاكاة على 500 ميغابارسك، أي نحو 1.6 مليار سنة ضوئية.
- تتبع المادة المظلمة والغاز والنجوم والإشعاع على مدى ملياري سنة من الزمن الكوني.
- اعتمد المشروع على محاكاة «إليستريس تي إن جي» وشُغّل على الحاسوب العملاق «فرونتير» في مختبر أوك ريدج الوطني.
- ويقول الفريق إن «لومينا» التقطت إعادة تأين الهيدروجين وإعادة تأين الهيليوم معًا لأول مرة في محاكاة واحدة.
ماذا تعني «لومينا» للباحثين الذين يدرسون الكون المبكر؟
توفر «لومينا» لعلماء الفلك وعلماء الكونيات وسيلة جديدة لمقارنة النظرية بالمشاهدات التي تقدمها التلسكوبات الحالية والمقبلة. ويقول الفريق إن المحاكاة تنتج أعدادًا كبيرة من المجرات يمكن مطابقتها مع بيانات المسوح المقبلة، وهو ما قد يساعد على تضييق فهم كيفية تشكل المجرات الأولى والثقوب السوداء.
كما تكتسب أهمية إضافية لأنها تربط العمليات الصغيرة، مثل تشكل النجوم داخل المجرات، بإعادة التأين الكونية على نطاق واسع. وهذا يمنح الباحثين أداة لدراسة كيفية تغيير الضوء فوق البنفسجي القادم من المجرات الأولى والضوء عالي الطاقة الصادر عن الثقوب السوداء فائقة الكتلة لحالة الهيدروجين والهيليوم في الكون.
- من يتأثر: الباحثون في المجرات المبكرة وإعادة التأين الكونية والبنية واسعة النطاق.
- ما الذي تقدمه: مخرجات عالية الدقة عبر حجم أكبر بكثير من أفضل المحاكاة السابقة، بحسب الفريق.
- ما الخطوة التالية: يخطط الباحثون لاستخدام «لومينا» لرسم البنية واسعة النطاق المبكرة والتنبؤ بأنماط الموجات الثقالية المحتملة.
ماذا تحاكي «لومينا»؟
تتبع «لومينا» المادة المظلمة والغاز والنجوم والإشعاع عبر جزء واسع من الكون المبكر يبلغ عرضه 500 ميغابارسك. وتبدأ المحاكاة في عصور الظلام، عندما كان الهيدروجين المتعادل يهيمن، ثم تتبع الكون عبر التحولات الكبرى التي صار فيها الهيدروجين والهيليوم معادَي التأين.
وبحسب الباحثين، فإن إعادة تأين الهيدروجين كانت مدفوعة بضوء المجرات والنجوم المبكرة، بينما كانت إعادة تأين الهيليوم مدفوعة بإشعاع أكثر طاقة صادر عن الثقوب السوداء فائقة الكتلة في مراحلها النشطة والمتغذية. ويقول الفريق إن هذه هي أول محاكاة تجمع العمليتين معًا.
لماذا تكتسب المحاكاة هذه الأهمية؟
يقول الباحثون إن «لومينا» تسد فجوة كبيرة بين المقاييس الصغيرة جدًا والكبيرة جدًا. فهي تحاكي نصف تريليون عنصر فردي، من جسيمات المادة المظلمة إلى خلايا الغاز، وتفعل ذلك بدقة أعلى بنحو 30 مرة من «إليستريس تي إن جي» مع تغطية حجم أكبر بنحو 100 مرة من المحاكيات السابقة.
ويجعل ذلك من الممكن متابعة تشكل هالات المادة المظلمة وانهيار الغاز إلى مجرات وانتشار الإشعاع من النجوم الأولى. ويقول الفريق إن المحاكاة صُممت لمساعدة العلماء على تفسير اللقطات القادمة من التلسكوبات الجديدة والمستقبلية.
كيف شُغلت «لومينا»؟
تطلّب الحساب موارد حوسبة هائلة. فقد شغّل الفريق «لومينا» على «فرونتير»، الحاسوب العملاق في مختبر أوك ريدج الوطني في تينيسي، ويقول إن الحساب اعتمد في ذروة التشغيل على ما يعادل أكثر من 100 ألف نواة معالج مركزية ونحو 15 ألف وحدة معالجة رسومية.
ويستند المشروع إلى «إليستريس تي إن جي»، التي طورها سابقًا علماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وغيرهم. وفي «لومينا»، عدّل الفريق ذلك الشيفرة بحيث تستطيع نمذجة تشكل المجرات بمزيد من التفصيل عبر حجم كوني أكبر بكثير، ودمجها مع فيزياء نقل الإشعاع.
ماذا سيحدث بعد ذلك؟
يخطط الفريق لاستخدام «لومينا» لرسم البنية واسعة النطاق للكون المبكر واستكشاف أنماط الموجات الثقالية التي قد تنتجها المجرات والثقوب السوداء الأولى. كما يقول الباحثون إن المحاكاة يمكن مقارنتها ببيانات المسوح التلسكوبية المقبلة مع توافر تلك الملاحظات.
وبهذا المعنى، لا تُعد «لومينا» مجرد إعادة بناء مرئية للكون المبكر، بل أيضًا منصة اختبار للتحقق مما إذا كانت الفيزياء المدمجة في النماذج الحالية قادرة على إعادة إنتاج البنية التي يتوقع علماء الفلك العثور عليها في البيانات الحقيقية.
