یک شبیه‌سازی رایانه‌ای قدرتمند جدید به دانشمندان اجازه می‌دهد تا یکی از مرموزترین دوره‌های تاریخ کیهان را کاوش کنند؛ دورانی که جهان از تاریکی سر برآورد و نخستین ستارگان و کهکشان‌ها شروع به دگرگون کردن کیهان کردند.
این شبیه‌سازی که «لومینا» نام دارد و توسط پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT)، دانشگاه هاروارد و سایر نهادها توسعه یافته است، تکامل جهان اولیه را در منطقه‌ای تقریباً ۱.۶ میلیارد سال نوری پهنا بازسازی می‌کند. این شبیه‌سازی دو میلیارد سال تاریخ کیهانی را دنبال می‌کند و نشان می‌دهد که کهکشان‌ها چگونه شکل گرفتند، تابش چگونه در فضا پخش شد و جهان چگونه به‌تدریج نسبت به نور شفاف گردید.
این پژوهش که در «ماهنامه انجمن سلطنتی نجوم» (MNRAS) منتشر شده است، تصویری بی‌سابقه و دقیق از رویدادهایی ارائه می‌دهد که میلیاردها سال قبل از وجود منظومه شمسی ما رخ دادند.
جهان چگونه وارد عصر تاریکی کیهانی خود شد؟
داستان با مهبانگ (Big Bang) آغاز می‌شود؛ زمانی که جهان در حالتی بسیار داغ و متراکم وجود داشت که پر از الکترون‌ها و سایر ذرات زیراتمی بود. این پلاسمای نخستین که گفته می‌شود در ابتدا کوچک‌تر از یک اتم واحد بوده، به‌سرعت منبسط و با رشد جهان سرد شد.
سرانجام، سرعت ذرات آن‌قدر کم شد که الکترون‌ها بتوانند با هسته‌های اتمی ترکیب شوند و هیدروژن خنثی الکتریکی تولید کنند. حدود ۳۸۰ هزار سال پس از مهبانگ، جهان وارد دوره‌ای شد که به «عصر تاریکی» کیهانی معروف است.
اگرچه جهان نسبت به بخش عمده‌ای از تابش باقی‌مانده از مهبانگ شفاف شده بود، اما هنوز ستارگانی شکل نگرفته بودند که کیهان را روشن کنند. هیدروژن خنثی فضا را پر کرده بود و می‌توانست انواع خاصی از تابش، از جمله نور فرابنفشی که بعداً از نخستین ستارگان ساطع می‌شد، را جذب کند.
لومینا به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا بررسی کنند که این محیط اولیه چگونه تکامل یافت و در نهایت به کهکشان‌ها، ستارگان و سایر ساختارهایی انجامید که به پایان عصر تاریکی کمک کردند.
نخستین ستارگان و سیاه‌چاله‌ها چگونه جهان را دگرگون کردند؟
این شبیه‌سازی منطقه‌ای وسیع به اندازه ۵۰۰ مگاپارسک (معادل تقریباً ۱.۶ میلیارد سال نوری) را پوشش می‌دهد. در این حجم، لومینا ماده تاریک، گاز، ستارگان و تابش (مانند فوتون‌ها) را دنبال می‌کند و هم رفتار ماده در فواصل بسیار دور و هم تشکیل کهکشان‌های منفرد را ثبت می‌کند.
یکی از مهم‌ترین دستاوردهای آن بازسازی دو تغییر بزرگ در جهان اولیه است: باز یونیزاسیون هیدروژن و باز یونیزاسیون هلیوم.
باز یونیزاسیون هیدروژن زمانی آغاز شد که نخستین ستارگان و کهکشان‌ها مقادیر فزاینده‌ای تابش فرابنفش تولید کردند. این نور پرانرژی الکترون‌ها را از اتم‌های هیدروژن خنثی جدا کرد؛ فرآیندی که «باز یونیزاسیون» گاز نامیده می‌شود. هرچه هیدروژن بیشتری یونیزه شد، جهان نسبت به نور فرابنفش شفاف‌تر گردید و تابش توانست مسافت‌های بسیار بیشتری را طی کند.
این دگرگونی به پاک‌سازی هیدروژن خنثی فراگیر که کیهان اولیه را تحت سلطه خود داشت، کمک کرد. لومینا این فرآیند را با جزئیات قابل‌توجهی بازتولید می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه تابش از نسل‌های نخستین ستارگان به‌تدریج شرایط را در سراسر فضا تغییر داد.
این شبیه‌سازی همچنین باز یونیزاسیون هلیوم را دنبال می‌کند که برای جدا کردن الکترون‌ها از هلیوم به تابش با انرژی بسیار بالاتری نیاز دارد.
نتایج به منابع متفاوتی اشاره دارند که این دو دگرگونی را هدایت کرده‌اند. به نظر می‌رسد ستارگان و کهکشان‌های اولیه مسئول اصلی یونیزاسیون هیدروژن بوده‌اند، در حالی که سیاه‌چاله‌های فوق‌عظیم فعالِ تغذیه‌کننده، تابش شدید مورد نیاز برای یونیزاسیون هلیوم را تأمین کرده‌اند.
این نخستین شبیه‌سازی است که هر دو فرآیند را به‌طور همزمان پوشش می‌دهد و دیدگاهی کامل‌تر از نحوه تغییر جهان اولیه ارائه می‌کند.
مارک ووگلزبرگر (Mark Vogelsberger)، استاد فیزیک در MIT و نویسنده مطالعه، اظهار داشت: «لومینا همه چیز را از تشکیل ستارگان و کهکشان‌ها در مقیاس کوچک تا باز یونیزاسیون هیدروژن و هلیوم در مقیاس بزرگ، در حجمی ۱۰۰ برابر بزرگ‌تر از بهترین شبیه‌سازی‌های قبلی انجام می‌دهد.»
پژوهشگران لومینا را در اختیار سایر دانشمندان قرار می‌دهند تا پیش‌بینی‌های آن درباره ساختارهای اولیه کیهانی با مشاهدات تلسکوپ‌های موجود و آینده مقایسه شود. چنین مقایسه‌هایی می‌تواند به پژوهشگران کمک کند تا رویدادهایی که نخستین کهکشان‌ها و ستارگان را شکل دادند، بهتر درک کنند.
ساختن یک جهان مجازی با نیم تریلیون عنصر
نام لومینا از واژه لاتین به معنای «نورها» گرفته شده است. فناوری پایه آن بر بستر «ایلوستریس تی‌ان‌جی» (IllustrisTNG)، یک شبیه‌سازی قبلی توسعه‌یافته توسط دانشمندان MIT و سایر نهادها (از جمله اعضای تیم پژوهشی لومینا) بنا شده است.
ایلوستریس تی‌ان‌جی نحوه تشکیل و تکامل کهکشان‌ها را با دنبال کردن تعاملات ماده تاریک، گاز و سایر فرآیندهای فیزیکی از مهبانگ تا زمان حال مدل‌سازی می‌کند.
برای ایجاد لومینا، پژوهشگران نرم‌افزار موجود را ارتقا دادند تا بتواند تشکیل کهکشان را با جزئیاتی مشابه در منطقه‌ای بسیار بزرگ‌تر از فضا بازتولید کند. آن‌ها همچنین مدلی انتقال تابش را ادغام کردند که محاسبه می‌کند نور (شامل تابش فرابنفش) چگونه در جهان سفر می‌کند و با ماده اطراف تعامل دارد.
این بهبودها در کنار هم به شبیه‌سازی اجازه می‌دهند تا هم تشکیل کهکشان‌ها و هم تغییرات عظیمی را که تابش در فواصل کیهانی ایجاد می‌کند، ردیابی کند.
مدل حاصل شامل تقریباً نیم تریلیون عنصر منفرد است، از جمله ذرات ماده تاریک و سلول‌های نماینده گاز. این مدل دقتی تقریباً ۳۰ برابر بیشتر از ایلوستریس تی‌ان‌جی ارائه می‌دهد، در حالی که حجمی ۱۰۰ برابر بزرگ‌تر از شبیه‌سازی‌های پیشرو قبلی را پوشش می‌دهد.
بازسازی میلیاردها سال تعاملات در میان این تعداد عنصر، به منابع محاسباتی فوق‌العاده‌ای نیاز دارد. پژوهشگران از «فرونتیر» (Frontier)، یکی از قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان واقع در آزمایشگاه ملی اوک ریج در تنسی استفاده کردند.
شویه جیان (جیکوب) شن (Xuejian (Jacob) Shen)، هم‌نویسنده MIT این مطالعه، گفت: «در مقیاس اوج، محاسبات معادل بیش از ۱۰۰,۰۰۰ هسته پردازنده مرکزی (CPU) و حدود ۱۵,۰۰۰ پردازنده گرافیکی (GPU) را گرد هم می‌آورد. برقراری ارتباط کارآمد بین تمام این پردازنده‌ها در حالی که تریلیون‌ها قطعه اطلاعات متقابل را به‌طور مداوم تکامل می‌دهند، خود یک شاهکار غیرعادی در مهندسی کامپیوتر است.»
تماشای ظهور نخستین کهکشان‌ها از دل تاریکی
لومینا تقریباً ۴۵ میلیون سال پس از مهبانگ آغاز می‌شود؛ در دوره‌ای که هیدروژن خنثی جهان را تحت سلطه خود داشت.
پژوهشگران شبیه‌سازی را با استفاده از شرایط مبتنی بر درک دانشمندان از آن دوره مقداردهی اولیه کردند. سپس به مدل اجازه دادند تا محاسبه کند که گاز و ماده تاریک چگونه در طول نیم تریلیون عنصر آن با پیشرفت زمان کیهانی تعامل کردند.
همزمان، لومینا ردیابی کرد که تابش چگونه ظاهر شد، پخش گردید و با ماده (شامل نور فرابنفش تولیدشده توسط ستارگان در حال ظهور) تعامل داشت.
نتیجه، یک جهان مجازی است که دانشمندان می‌توانند آن را در مقیاس‌های به‌شدت متفاوت کاوش کنند؛ از چیدمان ماده در فواصل عظیم کیهانی تا تکامل یک کهکشان منفرد.
در وب‌سایت پروژه، پژوهشگران ویدیوهایی منتشر کرده‌اند که این فرآیندها را در عمل نشان می‌دهند. یکی از آن‌ها یک «بزرگ‌نمایی» (zoom-in) از کل منطقه شبیه‌سازی‌شده به یک کهکشان منفرد دیسک‌شکل ارائه می‌دهد. دیگری یک تایم‌لپس از کل حجم را نشان می‌دهد که چگونه باز یونیزاسیون هیدروژن طی ۲ میلیارد سال در سراسر جهان پخش می‌شود.
زیر (Zier) توضیح داد: «از یک سو، ماده تاریک و گاز در جهان را تکامل می‌دهد و از سوی دیگر، نحوه سفر تابش را نیز ردیابی می‌کند. ما می‌بینیم که ماده تاریک و گاز شروع به خوشه شدن در این چگالی‌های اضافی می‌کنند. وقتی بزرگ‌نمایی می‌کنیم، می‌بینیم که گاز به داخل این هاله‌های ماده تاریک سقوط می‌کند. با بزرگ‌نمایی بیشتر، می‌بینیم که اینجا محل تشکیل نخستین کهکشان‌ها است. نخستین ستارگان در آن کهکشان‌های اولیه شکل می‌گیرند. آن ستارگان سپس تابش تولید می‌کنند. شبیه‌سازی آن تابش را ردیابی می‌کند و ما می‌توانیم بسیار عقب برویم تا ببینیم چگونه آن تابش از ستارگان خارج شده، در جهان سفر می‌کند، تا اینکه در نقطه‌ای برخی هیدروژن خنثی را یونیزه می‌کند.»
این قابلیت حرکت بین مقیاس‌های به‌شدت متفاوت یکی از نقاط قوت تعریف‌کننده لومینا است. پژوهشگران می‌توانند تشکیل کهکشان‌های منفرد را بررسی کنند و همزمان مشاهده نمایند که تابش ترکیبی آن‌ها چگونه جهان را در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر تحت تأثیر قرار می‌دهد.
ووگلزبرگر خاطرنشان کرد: «شبیه‌سازی‌های دیگر نمی‌توانند تا این حد بزرگ‌نمایی کنند. تفاوت بین کوچک‌ترین و بزرگ‌ترین مقیاس‌هایی که ما شبیه‌سازی می‌کنیم، بزرگ‌تر از هر شبیه‌سازی دیگری است.»
راهی نو برای کاوش تاریخ اولیه جهان
تیم پژوهشی برنامه دارد از لومینا برای بررسی چیدمان ماده در مقیاس بزرگ در جهان اولیه استفاده کند. این شبیه‌سازی همچنین می‌تواند به پیش‌بینی الگوهای امواج گرانشی تولیدشده توسط کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌های باستانی کمک کند.
فرصت بزرگ دیگری از مقایسه جهان مجازی لومینا با مشاهدات واقعی خواهد آمد. انتظار می‌رود تلسکوپ‌های جدید و در راه، اطلاعات به‌مرور دقیق‌تری درباره تعداد زیادی کهکشان دور جمع‌آوری کنند و راه‌های تازه‌ای برای آزمایش درک دانشمندان از کیهان اولیه فراهم آورند.
از آنجا که لومینا حجم بسیار بزرگی از فضا را شبیه‌سازی می‌کند، می‌تواند جمعیت‌های گسترده‌ای از کهکشان‌ها را تولید کند که مستقیماً با این مشاهدات قابل مقایسه باشند.
شن گفت: «یکی از مزایای اصلی لومینا اندازه خیره‌کننده آن است. این شبیه‌سازی جمعیت‌های عظیمی از کهکشان‌های شبیه‌سازی‌شده تولید می‌کند و سرانجام به ما اجازه می‌دهد مقایسه‌هایی با نمونه‌های بسیار بزرگ کهکشانی که نظرسنجی‌های آینده مشاهده خواهند کرد، انجام دهیم.»
با گرد هم آوردن تشکیل دقیق کهکشان‌ها، ماده تاریک، گاز و حرکت تابش، لومینا ابزاری قدرتمند و جدید برای پژوهشگران جهت بازسازی فصل‌های نخستین جهان ارائه می‌دهد. این ابزار ممکن است نه تنها توضیح دهد که نخستین کهکشان‌ها چگونه شکل گرفتند، بلکه نشان دهد که ستارگان و سیاه‌چاله‌های آن‌ها چگونه کیهان اطراف را دگرگون کردند.
تیم پژوهشی و حمایت‌ها
نویسندگان MIT این مطالعه شامل مارک ووگلزبرگر، شویه جیان (جیکوب) شن و تئودورا-النا بلوچی (Teodora-Elena Bluichi) هستند. سایر مشارکت‌کنندگان شامل اولیور زیر (Oliver Zier) نویسنده اول (پسادکتر سابق در آزمایشگاه ووگلزبرگر)، رونگرونگ لیو (Rongrong Liu)، سونیا کوهلر (Sonja Koehler) و لارس هرنکوئیست (Lars Hernquist) از مرکز اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونیان؛ آرون اسمیت (Aaron Smith) از دانشگاه تگزاس در دالاس؛ راهول کانان (Rahul Kannan) از دانشگاه یورک در کانادا؛ و ولکر اسپرینگل (Volker Springel) و رودیگر پاکمور (Rüdiger Pakmor) از مؤسسه اخترفیزیک ماکس پلانک در آلمان هستند.
این پژوهش حمایت جزئی از ناسا (NASA) و بنیاد ملی علوم دریافت کرده است. همچنین از منابع محاسباتی در تسهیلات رهبری محاسبات اوک ریج در آزمایشگاه ملی اوک ریج استفاده شده است که توسط برنامه‌های تحقیقات محاسبات علمی پیشرفته در دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا پشتیبانی می‌شود.