بالنسبة لعلماء الفلك وعلماء الكون، فإن العصور الكونية المظلمة هي الحدود النهائية، وتحمل إجابات حول كيفية تشكل النجوم والمجرات الأولى وتطورها. وفقًا للنظريات الأكثر انتشارًا، تشكل الجيل الأول من النجوم بعد حوالي 100 إلى 400 مليون سنة من الانفجار الكبير. حتى مع وجود بصريات هابل القوية وتلسكوب جيمس ويب الفضائي، لا يزال العلماء غير قادرين على تحديد هذه النجوم القديمة عند النظر إلى الكون المبكر ومجراته الناشئة.
لحسن الحظ، قام فريق دولي من الباحثين بالشيء التالي الأفضل باستخدام مشروع MEGATRON. وباستخدام مجموعة المحاكاة الكونية المتقدمة هذه، إلى جانب نماذج متطورة للإشعاع والكيمياء وتكوين المجرات، أنشأ الفريق عمليات المحاكاة الأكثر تفصيلاً للكون المبكر حتى الآن. وتظهر النتائج العلاقة بين عمليات رصد الكون المبكر والبصمة الكيميائية لأقدم النجوم في درب التبانة.
قاد الدراسة باحثون من جامعة باث، ومعهد كافلي للفيزياء الكونية، ومعهد الفيزياء الفلكية في باريس، ومرصد لوند، ومعهد كامبريدج كافلي لعلم الكونيات، ومختبر كافنديش، ومعهد كافلي للفيزياء الفلكية للجسيمات وعلم الكونيات (KIPAC)، ومرصد سترينكونديج، ومختبر الفيزياء الفلكية، وكلية الفنون التطبيقية. فيديرال دي لوزان (EPFL). وقد تم عرض النتائج التي توصلوا إليها في أربع ورقات بحثية نشرت في مجلة المجلة المفتوحة للفيزياء الفلكية.
مركز درب التبانة كما يرى من تشيلي. يحتوي اللب على نجوم قديمة جدًا يعود تاريخها إلى وقت مبكر من التاريخ الكوني. المصدر: ESO/P.Horalek CC by 4.0.
بدأ مشروع ميجاترون في عام 2023، ومن المقرر أن يستمر حتى عام 2030. وباستخدام هذا الجناح، قام الفريق بالتحقيق في كيفية تشكيل النجوم للغاز في الوسط بين النجوم وبين المجرات (ISM وGSM) على مدى مليارات السنين. وتضمنت نماذج حاسوبية متقدمة تتبعت حركة الغاز، وانتشار ضوء النجوم، وتطور التركيزات الكيميائية. وقد سمح لهم ذلك بتتبع تطور مجرة شابة نمت في النهاية إلى كتلة مشابهة لمجرة درب التبانة.
كما وصف الدكتور مارتن راي من قسم الفيزياء بجامعة باث وأحد المساهمين الرئيسيين في تعاون MEGATRON:
يوفر MEGATRON إطارًا فيزيائيًا مشتركًا لتفسير اثنتين من مجموعات البيانات الجديدة الأكثر إثارة في علم الفلك: وجهة نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي للمجرات الأقدم والسجل الحفري النجمي. تتيح لنا هذه الملاحظات التكميلية معًا اختبار النماذج المتنافسة للنجوم الأولى بطرق لم تكن ممكنة من قبل.
بدأت عمليات المحاكاة بالظروف التي كانت موجودة بعد وقت قصير من الانفجار الكبير، عندما كان الكون يتخلله غاز أصلي بدون عناصر ثقيلة. ثم تضمنت ولادة النجوم الأولى (السكان III)، والإشعاع المكثف الذي تنبعث منه، والمستعرات الأعظمية النارية، التي زرعت في ISM وGSM عناصر ثقيلة حديثة التكوين. أخيرًا، تتبعت عمليات المحاكاة كيف ستصبح هذه العناصر الجديدة جزءًا من الأجيال القادمة من النجوم والمجرات.
قال الدكتور راي: “يعطينا تلسكوب جيمس ويب الفضائي لمحة مباشرة عن الكون الوليد، في حين يسمح لنا علم الآثار النجمية بدراسة آثار تلك العصور المبكرة في جوارنا المجري”. “توفر MEGATRON جسرًا ماديًا بين الاثنين.”
رسم توضيحي يوضح الجدول الزمني للكون. أنهى الاستخلاص المعزز للنفط العصور المظلمة الكونية وبدأ بعد حوالي 400 مليون سنة من الانفجار الكبير. المصدر: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وأيه فيلد (STScI)
تظهر النتائج أن التقاط التفاعل بين ضوء النجوم والغاز والعناصر المشكلة حديثًا بدقة أمر ضروري لربط ملاحظات ويب الرائدة للمجرات الشابة بالتركيب الكيميائي المحفوظ في النجوم القديمة. إن فهم هذه العملية أمر أساسي لمعالجة السؤال الأساسي حول مكان نشوء العناصر التي يتكون منها الكون.
تشير النتائج أيضًا إلى أن النماذج الأبسط السابقة لتطور المجرة قللت من تقدير كيفية تأثر الغاز الموجود في IGM بالإشعاع النجمي والعمليات الكيميائية المعقدة. وبفضل الدقة العالية الاستثنائية التي حققها الفريق، تمكنوا من حل هياكل الغاز التي لا تستطيع النماذج الأبسط حلها. إن ما حققه الفريق مع MEGATRON سيساعد علماء الفلك على تحسين توقعاتهم للملاحظات الحالية والمستقبلية. قال الدكتور راي:
إن العناصر التي تجعل عالمنا وحياتنا ممكنين – الكربون والأكسجين والحديد وغيرها الكثير – تشكلت بواسطة النجوم. لفهم من أين جاءت هذه العناصر، علينا أن نفهم كيف تشكلت النجوم الأولى وأغنت محيطها. يتيح لنا MEGATRON اختبار هذه الأفكار مباشرةً من خلال مقارنة عمليات المحاكاة التفصيلية مع ملاحظات تلسكوب جيمس ويب الفضائي والبصمات الكيميائية المحفوظة في النجوم القديمة.
وبالنظر إلى المستقبل، يعمل الدكتور راي وزملاؤه في باث بالفعل على تطوير الجيل القادم من عمليات المحاكاة. هدفهم النهائي هو استخدام محاكاة ميجاترون لتقوية الروابط بين النظرية وملاحظات ويب المستمرة عن الكون المبكر. وقد حصل المشروع مؤخرًا على 40 مليون ساعة معالج على أجهزة الكمبيوتر العملاقة الوطنية في المملكة المتحدة، مما يتيح عمليات محاكاة عالية الدقة مع نماذج فيزيائية أكثر اكتمالاً. قال الدكتور راي:
يوفر MEGATRON إطارًا فيزيائيًا مشتركًا لتفسير اثنتين من مجموعات البيانات الجديدة الأكثر إثارة في علم الفلك: وجهة نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي للمجرات الأقدم والسجل الحفري النجمي. تتيح لنا هذه الملاحظات التكميلية معًا اختبار النماذج المتنافسة للنجوم الأولى بطرق لم تكن ممكنة من قبل.
مزيد من القراءة: جامعة باث
