محاكاة جديدة تُظهر كيفية تشغيل الأضواء فى كوننا

كان هناك زمن لم يكن فيه كوننا سوى بحر معتم وخفيف من الغازات الدوامة، وبحلول الوقت الذي بلغ فيه عمر الكون مليار سنة، تغير كل هذا، وأحدث الإشعاع من النجوم والمجرات الأولى تغييرا جذريا، ما سمح للضوء بالتدفق بحرية عبر الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله.

ووفقا لما ذكره موقع "RT"، سمحت محاكاة جديدة، سميت Thesan على اسم إلهة الفجر الأترورية، للعلماء بسبر العصور المظلمة للكون. إنها أداة جديدة لمعرفة كيفية تشغيل الأضواء بالتفصيل في Cosmic Dawn.

وقال الفيزيائي آرون سميث من معهد كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "Thesan يعمل كجسر للكون المبكر. من المفترض أن تكون بمثابة نظير محاكاة مثالي لمنشآت المراقبة القادمة، والتي تستعد لتغيير فهمنا للكون بشكل أساسي". ومعظم ما نعرفه عن الكون، تعلمناه 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.

ويعد الكون المبكر ما بين 50 مليونا و1 مليار سنة بعد الانفجار العظيم حالة أخرى من هذا القبيل. وتُعرف هذه الفترة باسم الفجر الكوني، وهو الوقت الذي كان فيه الكون كما نعرفه اليوم بدأ للتو في التجمع من البلازما البدائية. وقبل ظهور النجوم الأولى، كانت مليئة بضباب حار غامق من الغاز المتأين. ولم يكن الضوء قادرا على السفر بحرية عبر هذا الضباب؛ إنها ببساطة تشتت الإلكترونات الحرة.

وبمجرد أن يبرد الكون بدرجة كافية، بدأت البروتونات والإلكترونات في إعادة الاتحاد لتشكل ذرات هيدروجين متعادلة. وهذا يعني أن الضوء يمكن أن ينتقل أخيرا عبر الفضاء. وعندما بدأت النجوم والمجرات الأولى في التكون، بعد حوالي 150 مليون سنة من الانفجار العظيم، أعاد ضوؤها فوق البنفسجي تأين الهيدروجين المحايد في كل مكان في الكون، ما سمح لكامل طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي بالتدفق بحرية. وهذه هي حقبة إعادة التأين.

وبعد حوالي مليار سنة من الانفجار العظيم، تم إعادة تأين الكون بالكامل؛ قبل علامة المليار سنة هذه، ومع ذلك، لا يمكننا أن نرى حقا باستخدام أدواتنا الحالية، ما يجعل من الصعب فهم هذا الفجر الكوني الحاسم.

وقال عالم الفيزياء الفلكية راهول كانان، من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية: "لا يمتلك معظم علماء الفلك مختبرات لإجراء التجارب فيها. ومقاييس المكان والزمان كبيرة جدا، لذا فإن الطريقة الوحيدة التي يمكننا بها إجراء التجارب هي على أجهزة الكمبيوتر. ونحن قادرون على أخذ معادلات الفيزياء الأساسية والنماذج النظرية الحاكمة لمحاكاة ما حدث في الكون المبكر".

ويبدأ Thesan بنموذج واقعي لتشكيل المجرات، إلى جانب خوارزمية جديدة لإعادة إنتاج كيفية تفاعل الضوء مع الغاز المحيط وإعادة تأينه، ونموذج للغبار الكوني.

وهذه العمليات والتفاعلات معقدة للغاية؛ لمحاكاة جزء من الكون عبر 300 مليون سنة ضوئية، من 400 ألف إلى مليار سنة بعد الانفجار العظيم، استخدم الفريق حاسوبا عملاقا قويا، آلة SuperMUC-NG، التي استخدمت ما يعادل 30 مليون ساعة وحدة المعالجة المركزية لتشغيل Thesan.

وقال الباحثون إن المحاكاة الناتجة هي العرض الأكثر تفصيلا حتى الآن لعصر إعادة التأين، حيث تلتقط الفيزياء بمقاييس أصغر بمليون مرة من المناطق المحاكاة. ويعطي هذا نظرة "غير مسبوقة" على الطريقة التي تشكلت بها المجرات المبكرة وتفاعلت مع غازات الكون المبكر. ويظهر تغيرا تدريجيا حيث يبدأ الضوء في التسرب عبر الكون.

ومن المثير للاهتمام أن Thesan أظهر أن الضوء في البداية لا يسافر بعيدا على الإطلاق. فقط في نهاية إعادة التأين يكون الضوء قادرا على السفر لمسافات طويلة. ورأى الفريق أيضا أنواع المجرات التي كان لها التأثير الأكبر على إعادة التأين، حيث تلعب الكتلة المجرية دورا كبيرا.

ولن يكون لدينا وقت طويل للانتظار لمعرفة مدى دقة المحاكاة أيضا. ومن المقرر أن يبدأ تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) عملياته العلمية في غضون بضعة أشهر، وهو مصمم جزئيا ليعود إلى ما يقرب من 300000 عام بعد الانفجار العظيم، عندما كانت إعادة التأين على قدم وساق، ونُشر البحث في الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.