محققان از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری بسیار دقیق برای بازسازی یکی از دگرگون‌کننده‌ترین دوره‌های تاریخ کیهانی استفاده می‌کنند: دورانی که اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها ظاهر شدند.
این کار بخشی از پروژه MEGATRON است که توسط محققان دانشگاه باث در بریتانیا با همکاران دانشگاه شیکاگو در ایالات متحده و موسسه اخترفیزیک پاریس در فرانسه هدایت می‌شود. هدف این پروژه بررسی این است که چگونه اولین ستارگان و کهکشان‌ها جهان تاریک قبلی را روشن کردند و شروع به تولید و پراکنده کردن عناصر شیمیایی کردند که بعداً به اجزای اصلی سیارات، زندگی و دنیای اطراف ما تبدیل شدند.
چهار مطالعه از MEGATRON منتشر شده در مجله باز اخترفیزیک، شبیه سازی های کیهان شناسی پیشرفته را با مدل های دقیق تشعشع، شیمی و تشکیل کهکشان ها ترکیب می کند. آنها با هم، اولین مجموعه بزرگ از نتایج منتشر شده از این همکاری را نشان می دهند که انتظار می رود مطالعات بیشتری در آینده انجام شود.
پیوند JWST به سرنخ های ستاره ای باستانی
یافته‌ها نشان می‌دهد که محققان اگر می‌خواهند دو رکورد متفاوت از جهان اولیه را به هم متصل کنند، باید تعاملات پیچیده بین نور ستاره، گاز و عناصر تازه تشکیل‌شده را به‌طور دقیق مدل‌سازی کنند.
یکی از مشاهدات کهکشان های جوان که توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) انجام شده است. مورد دیگر از نشانه های شیمیایی حفظ شده در برخی از قدیمی ترین ستارگان در و اطراف کهکشان راه شیری، کهکشانی که منظومه شمسی ما را در بر می گیرد، می آید.
JWST به اخترشناسان اجازه می دهد تا مستقیماً کهکشان های کیهان اولیه را مشاهده کنند. ستارگان باستانی شواهد متفاوتی را ارائه می‌کنند و به عنوان فسیل رویدادهایی عمل می‌کنند که میلیاردها سال پیش روی داده‌اند. با مطالعه اثر انگشت شیمیایی در این ستارگان قدیمی، دانشمندان می توانند استنباط کنند که اولین ستارگان چگونه بودند و چگونه شروع به غنی سازی کیهان با اولین عناصر شیمیایی آن کردند.
شبیه‌سازی‌های MEGATRON یک کهکشان جوان را در حال تکامل آن به سیستمی که تقریباً از نظر جرم با کهکشان راه شیری قابل مقایسه است، ردیابی می‌کند. این مدل ها به طور همزمان نحوه حرکت گاز، نحوه حرکت نور ستاره ها در فضا و چگونگی تغییر غلظت عناصر شیمیایی مختلف در طول زمان را ردیابی می کنند.
این به محققان اجازه می دهد تا بررسی کنند که چگونه نسل های ستاره در طول میلیاردها سال تکامل گاز داخل و اطراف کهکشان ها را تغییر می دهند.
مدل‌های ساده‌تر می‌توانند فیزیک مهم را از دست بدهند
نتایج نشان می‌دهد که مدل‌های با جزئیات کمتر ممکن است تأثیر پرتوهای ستاره‌ای قوی و فرآیندهای شیمیایی پیچیده بر گاز اطراف کهکشان‌ها را دست کم بگیرند.
با شبیه‌سازی این اثرات در وضوح بسیار بالا، محققان توانستند ساختارهایی را در گاز پیدا کنند که رویکردهای ساده‌تر ممکن است از دست بروند. این جزئیات اضافه می‌تواند به اخترشناسان کمک کند تا پیش‌بینی‌های دقیق‌تری درباره مشاهداتی که اکنون جمع‌آوری می‌شوند و مشاهداتی که در آینده برنامه‌ریزی شده‌اند، انجام دهند.
نگاهی مستقیم به کیهان کودکان
دکتر مارتین رائه، از دپارتمان فیزیک دانشگاه باث و همکار اصلی در همکاری MEGATRON، گفت: “تلسکوپ فضایی جیمز وب به ما دید مستقیمی از کیهان نوزاد می دهد، در حالی که باستان شناسی ستاره ای به ما اجازه می دهد تا بقایای این اولین زمان ها را در فاصله بین کهکشانی METRON، بررسی کنیم.”
شبیه‌سازی‌ها با گاز خالصی شروع می‌شود که حاوی هیچ عنصر سنگینی نیست، شرایطی را که مدت کوتاهی پس از انفجار بزرگ وجود داشت بازتولید می‌کند.
از آنجا، مدل‌ها شکل‌گیری اولین ستاره‌ها، گسیل آن ستارگان، انفجارهای ابرنواختری را که در پایان عمرشان رخ می‌دهد و توزیع عناصر تازه ایجاد شده در نسل‌های بعدی ستاره‌ها و کهکشان‌ها را دنبال می‌کنند.
بازسازی این فرآیند می تواند به پاسخ به یکی از اساسی ترین سؤالات نجوم کمک کند: عناصر سازنده جهان مدرن از کجا آمده اند؟
دکتر ری گفت: “عناصری که جهان و زندگی ما را ممکن می‌سازند – کربن، اکسیژن، آهن و بسیاری دیگر – توسط ستارگان ساخته می‌شوند. برای اینکه بفهمیم این عناصر از کجا می‌آیند، باید بدانیم که اولین ستاره‌ها چگونه شکل گرفته و محیط اطراف خود را غنی کرده‌اند. MEGATRON به ما اجازه می‌دهد تا این ایده‌ها را مستقیماً با مقایسه شبیه‌سازی‌های دقیق با مشاهدات از ستاره‌های باستانی و نشانه‌های باستانی آزمایش کنیم.”
ردیابی منشا عناصر کیهانی
با پیشرفت پروژه، محققان قصد دارند از MEGATRON برای ایجاد ارتباطات قوی‌تر بین مدل‌های نظری و بهبود سریع مشاهدات نجومی استفاده کنند.
JWST به افشای اطلاعات جدید در مورد برخی از اولین کهکشان‌های شناخته شده ادامه می‌دهد، در حالی که بررسی‌های ستاره‌ای بزرگ اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری را از ستارگان باستانی در و اطراف کهکشان راه شیری انجام می‌دهند. ترکیب این دو منبع شواهد می تواند تصویر بسیار واضح تری از اولین نسل ستارگان به دانشمندان بدهد.
دکتر ری و همکارانش در Bath در حال حاضر روی نسل بعدی شبیه‌سازی‌های MEGATRON کار می‌کنند.
این پروژه 40 میلیون ساعت پردازنده در ابرکامپیوترهای ملی بریتانیا دریافت کرده است. این مقدار قدرت محاسباتی معادل اجرای پنج میلیون لپ تاپ به طور همزمان برای یک سال کامل است.
منابع اضافی به تیم اجازه می دهد تا شبیه سازی هایی با وضوح بالاتر و مدل های فیزیکی کامل تر بسازد. محققان سپس قادر خواهند بود به طور فزاینده ای مستقیم بین شبیه سازی های خود، مشاهدات JWST و فسیل های شیمیایی حفظ شده در ستارگان باستانی مقایسه کنند.
دکتر ری گفت: «MEGATRON یک چارچوب فیزیکی مشترک برای تفسیر دو مورد از هیجان‌انگیزترین مجموعه داده‌های جدید در نجوم ارائه می‌کند: نمای JWST از اولین کهکشان‌ها و فسیل‌های ستاره‌ای.» با هم، این مشاهدات تکمیلی به ما اجازه می‌دهد تا مدل‌های رقیب ستاره‌های اول را به روش‌هایی که قبلاً ممکن نبود، آزمایش کنیم.»
پروژه MEGATRON در سال 2023 آغاز شد و قرار است تا سال 2030 ادامه یابد.
