یک شبیه‌سازی رایانه‌ای تازه با نام «لومینا» به دانشمندان نمایی دقیق از این می‌دهد که جهان آغازین چگونه ممکن است از «دوران تاریک» کیهانی بیرون آمده و به نخستین کهکشان‌ها، ستاره‌ها و گازِ باز‌یونیده رسیده باشد. این پژوهش در Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده و تکامل کیهانی را در بازه‌ای ۲ میلیارد ساله دنبال می‌کند.
نکات کلیدی
- لومینا از حدود ۴۵ میلیون سال پس از مهبانگ، در دوران تاریک جهان آغاز می‌شود.
- این شبیه‌سازی پهنه‌ای برابر با ۵۰۰ مگاپارسک، یا حدود ۱٫۶ میلیارد سال نوری را پوشش می‌دهد.
- لومینا ماده تاریک، گاز، ستاره‌ها و تابش را در ۲ میلیارد سال از زمان کیهانی دنبال می‌کند.
- این پروژه بر پایه شبیه‌سازی «IllustrisTNG» ساخته شده و روی ابررایانه «فروانتیر» در آزمایشگاه ملی اوک‌ریج اجرا شده است.
- تیم پژوهش می‌گوید لومینا برای نخستین بار هر دو فرایند باز‌یونش هیدروژن و باز‌یونش هلیوم را در یک شبیه‌سازی ثبت می‌کند.
لومینا برای پژوهشگرانِ کیهانِ آغازین چه اهمیتی دارد؟
برای اخترشناسان و کیهان‌شناسان، لومینا ابزاری تازه برای مقایسه نظریه با داده‌های تلسکوپ‌های فعلی و آینده فراهم می‌کند. به گفته تیم پژوهش، این شبیه‌سازی جمعیت‌های بزرگی از کهکشان‌ها تولید می‌کند که می‌توان آن‌ها را با داده‌های پیمایش‌های آینده سنجید و از این راه، شکل‌گیری نخستین کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌ها را دقیق‌تر بررسی کرد.
اهمیت دیگر لومینا این است که فرایندهای کوچک‌مقیاس، مانند شکل‌گیری ستاره درون کهکشان‌ها، را به باز‌یونش بزرگ‌مقیاس کیهانی پیوند می‌دهد. این یعنی پژوهشگران می‌توانند بررسی کنند که نور فرابنفشِ کهکشان‌های نخستین و تابش پرانرژیِ سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم چگونه وضعیت هیدروژن و هلیوم را در سراسر جهان تغییر داده‌اند.
- چه کسانی را تحت تأثیر می‌گذارد: پژوهشگرانِ کهکشان‌های آغازین، باز‌یونش کیهانی و ساختار بزرگ‌مقیاس.
- چه چیزی فراهم می‌کند: خروجی با جزئیات بالا در حجمی بسیار بزرگ‌تر از بهترین شبیه‌سازی‌های پیشین، به گفته تیم پژوهش.
- گام بعدی چیست: پژوهشگران می‌خواهند از لومینا برای نقشه‌برداری از ساختار بزرگ‌مقیاس جهان آغازین و پیش‌بینی الگوهای موج گرانشی استفاده کنند.
لومینا چه چیزی را شبیه‌سازی می‌کند؟
لومینا ماده تاریک، گاز، ستاره‌ها و تابش را در بخشی از جهان آغازین که ۵۰۰ مگاپارسک پهنا دارد دنبال می‌کند. این شبیه‌سازی از دوران تاریک آغاز می‌شود، زمانی که هیدروژن خنثی غالب بود، و جهان را از خلال دگرگونی‌های بزرگِ باز‌یونش هیدروژن و هلیوم دنبال می‌کند.
بر پایه توضیح پژوهشگران، باز‌یونش هیدروژن با نور کهکشان‌ها و ستاره‌های نخستین پیش رفته و باز‌یونش هلیوم از تابش بسیار پرانرژیِ سیاه‌چاله‌های ابرپرجرمِ آغازین در مرحله‌های فعال و در حال برافزایش نیرو گرفته است. تیم پژوهش می‌گوید این نخستین شبیه‌سازی است که هر دو فرایند را با هم ثبت می‌کند.
چرا این شبیه‌سازی مهم است؟
پژوهشگران می‌گویند لومینا شکافی بزرگ میان مقیاس‌های بسیار کوچک و بسیار بزرگ را پر می‌کند. این مدل حدود نیم تریلیون عنصر منفرد، از جمله ذرات ماده تاریک و سلول‌های گاز را دربر می‌گیرد و در عین حال، دقتی حدود ۳۰ برابر بیش از IllustrisTNG دارد، در حالی که حجمی حدود ۱۰۰ برابر بزرگ‌تر از شبیه‌سازی‌های پیشین را پوشش می‌دهد.
این ترکیب امکان می‌دهد شکل‌گیری هاله‌های ماده تاریک، فروریزش گاز به درون کهکشان‌ها و گسترش تابش از نخستین ستاره‌ها دنبال شود. تیم پژوهش می‌گوید این شبیه‌سازی برای کمک به تفسیر مشاهدات تلسکوپ‌های تازه و آینده طراحی شده است.
لومینا چگونه اجرا شد؟
اجرای این محاسبه به منابع عظیم ابررایانشی نیاز داشت. تیم پژوهش لومینا را روی «فروانتیر»، ابررایانه آزمایشگاه ملی اوک‌ریج در تنسی، اجرا کرد و می‌گوید این محاسبه در اوج خود معادل بیش از ۱۰۰ هزار هسته پردازنده و حدود ۱۵ هزار پردازنده گرافیکی را به کار می‌گرفت.
این پروژه بر پایه «IllustrisTNG» ساخته شده است؛ شبیه‌سازی‌ای که پیش‌تر توسط دانشمندانی در MIT و جاهای دیگر توسعه یافته بود. برای لومینا، تیم پژوهش این کد را بازطراحی کرد تا بتواند شکل‌گیری کهکشان‌ها را با جزئیات بیشتر و در حجمی بسیار بزرگ‌تر از جهان مدل کند و آن را با فیزیک انتقال تابش ترکیب کند.
گام بعدی چیست؟
تیم پژوهش قصد دارد از لومینا برای نقشه‌برداری از ساختار بزرگ‌مقیاس جهان آغازین و بررسی الگوهای موج گرانشی‌ای که کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌های نخستین ممکن است تولید کنند استفاده کند. آن‌ها همچنین می‌گویند این شبیه‌سازی را می‌توان با داده‌های پیمایش‌های تلسکوپی آینده مقایسه کرد.
از این نظر، لومینا فقط بازسازی تصویریِ جهان آغازین نیست. این شبیه‌سازی همچنین میدان آزمونی برای سنجش این است که آیا فیزیکِ واردشده در مدل‌های امروز می‌تواند ساختاری را بازتولید کند که اخترشناسان انتظار دارند در داده‌های واقعی ببینند.
