يتميز علم الفلك الحديث بتلسكوبات ضخمة ذات مرايا مجزأة، وكاميرات رقمية ضخمة، وخطوط بيانات متطورة، ومجموعات من الأدوات القوية ذات أغراض محددة مختلفة. ولكن هذا هو الجانب الرصدي. إن فهم البيانات التفصيلية الرائعة التي تقدمها هذه التلسكوبات يتطلب منهجًا خاصًا بها.
وهنا يأتي دور عمليات المحاكاة. نحن نعيش في عصر المحاكاة الكونية المفصلة بشكل متزايد، وكلها تعمل على أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم. يستخدمها علماء الكونيات لفهم كل شيء بدءًا من تكوين النجوم وحتى توسع الكون.
يعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) وتلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي (NGRST) من أقوى التلسكوبات الفضائية الموجودة. إنها جيدة بشكل خاص في إلقاء الضوء على الأيام الأولى للكون بقدراتها على الأشعة تحت الحمراء. في حين أن NGRST بدأ للتو، كان تلسكوب جيمس ويب الفضائي مشغولاً لبضع سنوات وقد قدم بالفعل بعض المفاجآت. تم إطلاق NGRST منذ شهرين فقط، ولم تبدأ مهمتها بعد. ولكن بمجرد أن يحدث ذلك، فإنه قد يقدم بعض المفاجآت الخاصة به.
هذا هو المكان الذي تمت فيه محاكاة جديدة من مركز الفيزياء الفلكية | تأتي جامعة هارفارد وسميثسونيان (CfA). اسمها لومينا، وهي واحدة من أكبر عمليات المحاكاة وأكثرها تفصيلاً حتى الآن.
تم تقديم لومينا في بحث جديد في الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية بعنوان “تقديم مشروع لومينا: عمليات محاكاة هيدروديناميكية إشعاعية كبيرة الحجم لعصور إعادة تأين الهيدروجين والهيليوم.” المؤلف الرئيسي أوليفر زيير، زميل معهد النظريات والحوسبة في مركز الفيزياء الفلكية | هارفارد وسميثسونيان.
كتب المؤلفون: “إن فهم كيفية قيام المجرات والنوى المجرية النشطة (AGNs) معًا بدفع إعادة تأين الوسط بين المجرات (IGM) عبر الزمن الكوني يظل تحديًا كبيرًا في علم الكون”. “نحن نقدم لومينا، وهي محاكاة هيدروديناميكية إشعاعية كبيرة الحجم تتبع بشكل متسق التطور المزدوج لـ IGM والمجرات والنوى المجرية النشطة من خلال إعادة التأين H i وHe i وHe ii وصولاً إلى الانزياح الأحمر z = 3.”
يتوافق الانزياح نحو الأحمر z=3 مع فترة مراجعة تبلغ حوالي 11.7 مليار سنة، أو حوالي 2.1 مليار سنة بعد الانفجار الكبير. يحدث هذا في الظهيرة الكونية، وهو الوقت الذي يصل فيه تكوين النجوم إلى ذروته في الكون، وعندما تكون النجوم الزائفة أكثر نشاطًا. إنه أيضًا في نهاية إعادة تأين الهيليوم II، والذي عادةً ما يعتبر المرحلة الانتقالية الأخيرة في IGM، بعد إعادة تأين الهيدروجين المحايد بالفعل.
يوضح الباحثون: “يظل عدد مجراتها متسقًا مع مشروع IllustrisTNG الأصلي، في حين أن الحجم الأكبر يحسن إحصائيات الأجسام النادرة والبيئات واسعة النطاق والتباين الكوني، مما يتيح النمذجة المستقبلية للملاحظات التي تربط طبولوجيا Hi وHe ii بالمجرات المتطورة ومجموعات AGN”.
لا تزال كيفية إعادة تأين الهيدروجين والهيليوم المحايد في الكون غير مفهومة تمامًا. إن المساهمة من المصادر المختلفة – النجوم والثقوب السوداء فائقة الكتلة ونوى المجرات النشطة – غير واضحة. إن الجدول الزمني الذي تم فيه تنفيذ كل شيء هو أيضًا أمر لا يزال علماء الكونيات في حيرة بشأنه. هل انتهى الأمر دفعة واحدة، في خاتمة سلسة؟ أم أنها كانت مرقعة؟ تساعد ملاحظات تلسكوب جيمس ويب الفضائي في دفع جهد جديد لفهم كل شيء.
قال المؤلف الرئيسي زير في بيان صحفي: “مع تلسكوب جيمس ويب الفضائي، أصبح الكون المبكر حدودًا جديدة ومثيرة في الفيزياء الفلكية”. “لفهم ما نراه باستخدام هذا التلسكوب، نحتاج إلى ترجمة نظرياتنا إلى تنبؤات مفصلة. بعد عدة سنوات من العمل، مع الكثير من الصعود والهبوط، من المفيد للغاية أن نرى نتائج المحاكاة ونشاهد تنبؤاتنا تنبض بالحياة في الفيديو.”
لومينا لديها حجم أكبر من محاكاة أخرى معروفة، Illustris TNG. كان TNG 300 هو أكبر مسار له، حيث يبلغ الجانب الصندوقي حوالي 3.3 ميجا فرسخ فلكي. لكن لومينا لديها جانب صندوقي يبلغ 500 ميجاباسكال. (المهووسون في مجال المحاكاة على حق في الإشارة إلى أن هذه فلك فلكي متحرك بشكل مشترك). لذا، يحاكي لومينا مساحة تبلغ حوالي 1.5 مليار سنة ضوئية على كل جانب، وهو ما يعادل تقريبًا نفس المساحة التي يمكن لعلماء الفلك رؤيتها باستخدام أقوى التلسكوبات لدينا.
تُظهر هذه الصورة كثافة المادة الباريونية، أي الغاز والنجوم، في مربعات تكبير بأطوال جانبية تبلغ 500 cMpc، و50 cMpc، و5 cMpc، و500 cMpc. يوضح الشكل تضمين الهالة في الشبكة الكونية، وإمدادات الغاز الخيطية، والبنية النجمية المدمجة في مركزها. حقوق الصورة: زير وآخرون. 2026 MNRAS
على الرغم من أن إعادة تأين الهيدروجين تمت دراستها على نطاق واسع، نظرًا لأنه العنصر الأكثر وفرة في الكون، إلا أن إعادة تأين الهيليوم لم تتم دراستها. تقوم لومينا بالتقاط إعادة تأين الهيليوم وتغذي تلك النتائج في بقية عملية المحاكاة. وهذا يلقي الضوء على تأثير إعادة تأين الهيليوم على الكون.
في حين تم إعادة تأين الهيدروجين في الغالب بواسطة فوتونات الأشعة فوق البنفسجية ذات الطاقة المنخفضة القادمة من المجرات القزمة التي تشكل النجوم، إلا أنها لم تكن نشطة بما يكفي لإعادة تأين الهيليوم، الذي يشكل حوالي 25٪ من IGM. كان عليها أن تنتظر عددًا هائلاً من النجوم الزائفة والنوى المجرية النشطة المضيئة للغاية، وقد بلغت تلك التجمعات ذروتها خلال الظهيرة الكونية.
لكن توسيع نطاق المحاكاة لتشمل إعادة تأين الهيليوم لم يكن بالأمر السهل. يوضح المؤلفون: “إن نمذجة إعادة التأين He ii تقدم تحديات حسابية كبيرة”. “للوصول إلى z = 3، يجب أن تتطور المحاكاة لمدة جيجا سنة إضافية تقريبًا بعد نهاية إعادة التأين H i، حيث يصبح توزيع المادة متجمعًا بشكل متزايد.”
ولتحقيق ذلك، تعمل Lumina على أكثر من 15000 وحدة معالجة رسومات على الكمبيوتر العملاق Frontier التابع لمختبر Oak Ridge الوطني، وهو ثالث أسرع كمبيوتر عملاق في العالم، بعد El Capitan وLine Shine. تتمتع Frontier بالقدرة على حساب حجم هائل من المساحة بالمستوى المطلوب من التفاصيل.
إن النتائج الأولى التي توصلت إليها لومينا بشأن إعادة التأين He II تتطابق بشكل جيد مع الملاحظات.
كتب المؤلفون: “تبدأ إعادة التأين He ii عند z (حوالي) 6، ويحركها مجال الإشعاع القوي من النوى المجرية النشطة. وجدنا نقطة منتصف عند z (تساوي تقريبًا) 4 وقرب الانتهاء عند z = 3، مع جزء ملء حجم He ii المتبقي أقل من 1%، بما يتفق مع قيود المراقبة الحالية”. “يوضح هذا أن لومينا يمكنها أن تتابع بشكل متسق البداية والطوبولوجيا واكتمال إعادة تأين الهيليوم جنبًا إلى جنب مع إعادة تأين الهيدروجين.”
تعمل عمليات المحاكاة والملاحظات معًا على دفع التقدم في علم الكونيات، ويبدو أن المنظرين لديهم الآن أداة قوية أخرى في صندوق أدواتهم.
وقال المؤلف المشارك آرون سميث، وهو أستاذ مساعد في الفيزياء في جامعة تكساس في دالاس: “نشعر بأننا محظوظون للغاية لبناء محاكاة مثل لومينا”. “للمرة الأولى، يمكننا متابعة تغير كل من الهيدروجين والهيليوم إلى شكلهما الحديث عبر مثل هذا الحجم الهائل من الكون، في حين لا نزال نحدد المجرات والأجسام المضيئة الأخرى التي تقود هذا التحول.”
