دانشمندان یکی از بزرگترین و دقیق‌ترین شبیه‌سازی‌های کیهان اولیه را ایجاد کرده‌اند که راه جدیدی را برای مطالعه چگونگی تکامل کیهان پس از انفجار بزرگ ارائه می‌دهد. این شبیه‌سازی که با نام «لومینا» شناخته می‌شود، توسط محققان مرکز اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونیان برای کمک به اخترشناسان برای تفسیر مشاهدات از ابزار قدرتمندی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و تلسکوپ فضایی نانسی روم ایجاد شد.
این مطالعه، منتشر شده در اعلامیه های ماهانه انجمن سلطنتی نجوم، 2 میلیارد سال اول جهان را با مدل سازی برهمکنش های ماده معمولی، ماده تاریک و تابش بازسازی می کند. با مقایسه پیش‌بینی‌های لومینا با مشاهدات تلسکوپ‌های JWST، رومی و سایر تلسکوپ‌ها، دانشمندان می‌توانند ارزیابی کنند که نظریه‌های موجود تا چه اندازه تکامل کیهانی را توضیح می‌دهند و اکتشافاتی را شناسایی می‌کنند که می‌توانند درک آنها از قوانین اساسی جهان را به چالش بکشند.
ستاره شناسان قرن ها را صرف مطالعه آسمان و ارائه توضیحاتی برای شکل گیری ستارگان، کهکشان ها و دیگر ساختارهای کیهانی کرده اند. ابرکامپیوترهای مدرن اکنون امکان تبدیل این ایده‌ها را به شبیه‌سازی‌های دقیقی می‌دهند که پیش‌بینی می‌کنند جهان چگونه باید رفتار کند. وقتی مشاهدات تلسکوپ با این پیش‌بینی‌ها موافق باشند، اعتماد به نظریه‌های فعلی را تقویت می‌کنند. با این حال، تفاوت‌های غیرمنتظره ممکن است به فرآیندهای فیزیکی اشاره کند که دانشمندان هنوز آن را درک نکرده‌اند. کاملا درک کرده اند.
اولیور زیر، نویسنده اصلی، یکی از همکاران ITC در مرکز اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونیان، می‌گوید: «با JWST، جهان اولیه به یک مرز هیجان‌انگیز جدید در اخترفیزیک تبدیل شده است. “برای درک آنچه با این تلسکوپ می‌بینیم، باید نظریه‌های خود را به پیش‌بینی‌های دقیق ترجمه کنیم. پس از چندین سال کار، با فراز و نشیب‌های فراوان، دیدن نتایج شبیه‌سازی و مشاهده پیش‌بینی‌هایمان در ویدئویی که زنده می‌شوند، فوق‌العاده لذت بخش است.”
بازآفرینی 2 میلیارد سال اول کیهان
Lumina بزرگترین شبیه‌سازی هیدرودینامیک تشعشع کیهانی است که تاکنون ایجاد شده است. به زبان ساده، از رایانه‌های قدرتمند برای محاسبه نحوه تعامل گاز، ماده تاریک و نور در زمان تکامل جهان جوان استفاده می‌کند. با ردیابی این فعل و انفعالات در طول 2 میلیارد سال اول پس از انفجار بزرگ، محققان می توانند چگونگی شکل گیری اولین کهکشان ها و چگونگی تغییر فعالیت آنها در ابرهای عظیم گازی اطرافشان را مطالعه کنند.
شبیه سازی حجمی از فضا را بیش از 100 برابر بزرگتر از حجمی است که توسط طرح های مشابه قبلی پوشش داده شده بود. جهان مجازی آن در یک مکعب تقریباً 1.5 میلیارد سال نوری در هر طرف گستردگی دارد و نمایی از تکامل کیهانی را در مقیاسی قابل مقایسه با مناطق وسیعی که پیشرفته‌ترین تلسکوپ‌های امروزی می‌توانند مطالعه کنند، ارائه می‌کند.
یکی دیگر از پیشرفت های مهم، درمان Lumina برای یونیزاسیون مجدد هلیوم است، فرآیندی که در آن تابش الکترون ها را از اتم های هلیوم جدا می کند. برای اولین بار، شبیه‌سازی در نوع خود، این دگرگونی را در حین آشکار شدن دنبال می‌کند، در حالی که چگونگی تأثیر آن بر جهان اطراف را محاسبه می‌کند. این به دانشمندان اجازه می دهد تا رابطه بین کهکشان های در حال توسعه، تشعشع و گازی را که فضای بین آنها را پر می کند، مطالعه کنند.
آرون اسمیت، استادیار فیزیک در دانشگاه تگزاس در دالاس و نویسنده مقاله، می‌گوید: «ما بسیار خوش شانس هستیم که شبیه‌سازی‌هایی مانند Lumina را ایجاد می‌کنیم. برای اولین بار، ما می‌توانیم ردیابی کنیم که چگونه هیدروژن و هلیوم به شکل مدرن خود در چنین حجم وسیعی از کیهان تغییر می‌کنند، در حالی که هنوز کهکشان‌ها و دیگر اجرام نورانی را از هم جدا می‌کنند.
یک ابر رایانه عظیم، کیهان مجازی را نیرو می دهد
بازآفرینی چنین بخش عظیمی از تاریخ کیهانی به منابع محاسباتی خارق العاده ای نیاز دارد. این تیم از بیش از 15000 پردازنده گرافیکی در Frontier، یکی از سریع‌ترین ابررایانه‌های جهان، واقع در آزمایشگاه ملی Oak Ridge در تنسی استفاده کرد.
این قدرت پردازشی به محققان این امکان را داد تا یک منطقه بسیار بزرگ از جهان اولیه را بدون قربانی کردن جزئیات دقیق مورد نیاز برای مطالعه کهکشان‌ها و دیگر ساختارهای مهم شبیه‌سازی کنند. در نتیجه، Lumina می‌تواند تکامل گسترده‌تر کیهان را در حالی که فرآیندهای دخیل در شکل‌گیری ستاره‌ها، کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌ها را دنبال می‌کند، ثبت کند.
آزمایش اسرار جهان اولیه
لومینا علاوه بر بازآفرینی تاریخ کیهانی، یک چارچوب جدید قدرتمند برای مطالعه چگونگی تکامل جهان ارائه می‌کند. محققان قصد دارند از آن برای مطالعه حرکت گاز بین کهکشان ها، تأثیر تشعشعات باقی مانده از انفجار بزرگ و ظاهر مناطقی که ستارگان با سرعت بسیار بالایی در آن شکل گرفته اند استفاده کنند.
دانشمندان امیدوارند با کنار هم قرار دادن این پیش‌بینی‌ها با مشاهدات تلسکوپ فضایی جیمز وب، تلسکوپ فضایی نانسی رم و سایر ابزارها، تصویر کامل‌تری از فصل‌های اولیه جهان بسازند. هر گونه تفاوت غیرمنتظره بین کیهان شبیه‌سازی شده و کیهان واقعی می‌تواند سرنخ‌های ارزشمندی را ارائه دهد، که به طور بالقوه نشان می‌دهد که نظریه‌های کنونی کجا نیاز به اصلاح یا تجدید نظر دارند.
