تظهر محاكاة جديدة كيف تضاء الأضواء في كوننا

كان هناك وقت لم يكن فيه كوننا سوى بحر مظلم وخفيف من الغازات الدوامة ، وبحلول الوقت الذي بلغ فيه عمر الكون مليار سنة ، تغير كل هذا ، وتغير الإشعاع من النجوم والمجرات الأولى بشكل كبير ، السماح للضوء بالتدفق بحرية عبر الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله. وفقًا لـ RT ، سمحت محاكاة جديدة ، سميت Thesan على اسم إلهة الفجر الأترورية ، للعلماء بسبر العصور المظلمة للكون. إنها أداة جديدة للتعرف بالتفصيل على كيفية تشغيل الأضواء في Cosmic Dawn. قال الفيزيائي آرون سميث من معهد كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “ثيسان بمثابة جسر للكون المبكر”. “يجب أن يكون بمثابة نظير محاكاة مثالي لمنشآت المراقبة القادمة ، والتي تستعد لتغيير فهمنا للكون بشكل أساسي.” معظم ما نعرفه عن الكون ، نتعلمه من الضوء (مع استثناء ملحوظ لموجات الجاذبية ، وهو مجال علم الفلك لا يزال في مهده). لذلك ، عندما يتم إعاقة الضوء بطريقة ما ، فإن هذا يسبب بعض المشاكل ؛ انظر فقط (أو لا تنظر ، حسب الحالة) إلى الثقوب السوداء ، التي لا تصدر أي إشعاع يمكن اكتشافه. الكون المبكر ، بعد ما بين 50 مليون و 1 مليار سنة من الانفجار العظيم ، هو حالة أخرى من هذا القبيل. تُعرف هذه الفترة بالفجر الكوني ، وهو الوقت الذي كان الكون كما نعرفه اليوم قد بدأ للتو في التجمع من البلازما البدائية. قبل ظهور النجوم الأولى ، كانت مليئة بضباب ساخن داكن من الغاز المتأين. ولم يكن النور قادرًا على السفر بحرية عبر هذا الضباب ؛ إنهم ببساطة يبعثرون الإلكترونات الحرة. بمجرد أن يبرد الكون بدرجة كافية ، بدأت البروتونات والإلكترونات في إعادة الاتحاد لتشكيل ذرات هيدروجين محايدة. هذا يعني أن الضوء يمكنه أخيرًا السفر عبر الفضاء. عندما بدأت النجوم والمجرات الأولى في التكون ، بعد حوالي 150 مليون سنة من الانفجار العظيم ، أعاد ضوءها فوق البنفسجي تأين الهيدروجين المحايد في كل مكان في الكون ، مما سمح لكامل طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي بالتدفق بحرية. هذا هو عصر إعادة التأين. بعد حوالي مليار سنة من الانفجار العظيم ، أعيد تأين الكون بأسره ؛ قبل علامة المليار عام هذه ، لا يمكننا أن نرى حقًا باستخدام أدواتنا الحالية ، مما يجعل من الصعب فهم هذا الفجر الكوني الحاسم. قال عالم الفيزياء الفلكية راهول كانان ، من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية: “معظم الفلكيين ليس لديهم مختبرات لإجراء التجارب فيها. المقاييس الفضائية والزمنية كبيرة جدًا ، لذا فإن الطريقة الوحيدة التي يمكننا بها إجراء التجارب هي على أجهزة الكمبيوتر. نحن قادرًا على أخذ المعادلات الفيزياء الأساسية والنماذج النظرية الحاكمة لمحاكاة ما حدث في الكون المبكر. يبدأ Thesan بنموذج واقعي لتشكيل المجرات ، جنبًا إلى جنب مع خوارزمية جديدة لإعادة إنتاج كيفية تفاعل الضوء مع الغاز المحيط وإعادة تأينه ، و نموذج للغبار الكوني. هذه العمليات والتفاعلات معقدة للغاية ؛ لمحاكاة جزء من الكون عبر 300 مليون سنة ضوئية ، من 400000 إلى 1 مليار سنة بعد الانفجار العظيم ، استخدم الفريق حاسوبًا عملاقًا قويًا ، SuperMUC-NG ، التي استخدمت ما يعادل 30 مليون ساعة من وحدة المعالجة المركزية لتشغيل Thesan. وقال الباحثون إن المحاكاة الناتجة هي العرض الأكثر تفصيلاً حتى الآن لعصر إعادة التأين ، أصغر بمليون مرة من المناطق المحاكاة. يعطي هذا نظرة “غير مسبوقة” على الطريقة التي تشكلت بها المجرات المبكرة وتفاعلت مع غازات الكون المبكر. يظهر تغيرًا تدريجيًا حيث يبدأ الضوء في التسرب عبر الكون. ومن المثير للاهتمام أن Thesan أظهر أن الضوء في البداية لا يسافر بعيدًا على الإطلاق. فقط في نهاية إعادة التأين يكون الضوء قادرًا على السفر لمسافات طويلة. رأى الفريق أيضًا أنواع المجرات التي كان لها أكبر تأثير على إعادة التأين ، حيث لعبت الكتلة المجرية دورًا كبيرًا. ولن ننتظر وقتًا طويلاً لنرى مدى دقة المحاكاة أيضًا. من المقرر أن يبدأ تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) عملياته العلمية في غضون بضعة أشهر ، وهو مصمم جزئيًا ليعود إلى ما يقرب من 300000 عام بعد الانفجار العظيم ، عندما كانت إعادة التأين على قدم وساق. نُشر البحث في الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.