دانشمندان 2 میلیارد سال از کیهان اولیه را بازسازی کردند

دانشمندان نسخه مجازی گسترده ای از جهان اولیه ایجاد کرده اند که به محققان اجازه می دهد تا ظهور ستارگان و کهکشان ها را در طول 2 میلیارد سال اول تاریخ کیهانی دنبال کنند و پیش بینی های شبیه سازی را با مشاهدات تلسکوپ های مدرن مقایسه کنند.

این شبیه‌سازی که Lumina نام دارد، تکامل ماده تاریک، گاز، ستاره‌ها و تابش را در فضایی به وسعت حدود 1.6 میلیارد سال نوری دنبال می‌کند. توسعه یافته توسط محققان موسساتی از جمله موسسه فناوری ماساچوست (MIT) و مرکز اخترفیزیک | هاروارد و اسمیتسونیان، تقریبا 45 میلیون سال پس از انفجار بزرگ، در دوره ای که معمولا به عنوان "عصر تاریک" کیهانی شناخته می شود، آغاز می شود، زمانی که جهان هنوز توسط اولین ستاره ها و کهکشان ها روشن نشده بود.

لومینا به جای مشاهده‌ای از گذشته، یک مدل کامپیوتری است که درک دانشمندان از فیزیک را برای محاسبه چگونگی تکامل جهان اولیه به کار می‌گیرد.

این شبیه‌سازی شامل حدود نیم تریلیون عنصر محاسباتی، از جمله ذرات ماده تاریک و سلول‌های گازی است که به دانشمندان اجازه می‌دهد تا چگونگی توسعه ساختارهای کیهانی را در طول زمان پیگیری کنند.

دانشمندان می توانند از این شبیه سازی برای مطالعه ساختار کیهانی در مقیاس بزرگ و شکل گیری کهکشان های منفرد استفاده کنند. به گفته MIT، حجمی از جهان را 100 برابر بزرگتر از مدل های گذشته شبیه سازی می کند. این شبیه سازی با استفاده از ابررایانه Frontier در آزمایشگاه ملی Oak Ridge در تنسی اجرا شد.

پس از انفجار بزرگ، کیهان وارد «عصر تاریک» کیهانی شد، دوره‌ای قبل از اینکه اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها شروع به تولید نور کنند. همانطور که اولین ستاره ها و کهکشان ها شروع به ظهور کردند، تابشی تولید کردند که الکترون ها را از اتم های هیدروژن جدا کرد، فرآیندی که به نام یونیزاسیون شناخته می شود. با یونیزه شدن بیشتر هیدروژن، نور می‌توانست آزادانه‌تر در فضا حرکت کند و به تبدیل جهان تاریک اولیه به جهانی شفافی که امروزه می‌بینیم کمک کند.

Lumina این فرآیند را بازتولید می کند و نتایج آن نشان می دهد که یونیزه شدن مجدد هیدروژن در درجه اول توسط تابش ستاره ها و کهکشان های اولیه انجام شده است.

اخترشناسان اکنون می توانند جهان مجازی لومینا را با مشاهدات واقعی تلسکوپ هایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا مقایسه کنند و به آنها کمک کند تا بررسی کنند که این شبیه سازی تا چه حد تکامل جهان اولیه را منعکس می کند.

تلسکوپ فضایی جیمز وب به اخترشناسان اجازه می دهد تا "سپیده دم کیهانی" را بررسی کنند، که تقریبا 50 میلیون تا یک میلیارد سال پس از انفجار بزرگ، زمانی که اولین ستاره ها و کهکشان ها شکل گرفتند، اتفاق افتاد. وب قبلا کهکشان‌هایی را شناسایی کرده است که قدمت آن‌ها بیشتر از هر زمان دیگری شناخته شده است، از جمله MoM-z14 که در سال 2025 تأیید شد که حدود 280 میلیون سال پس از انفجار بزرگ وجود داشته است.

مشاهدات وب همچنین شواهد مستقیمی در مورد یونیزاسیون مجدد ارائه می دهد. در سال 2023، ناسا گزارش داد که تلسکوپ مناطق شفافی از گاز را در اطراف کهکشان های اولیه شناسایی کرده است، که نشان می دهد ستارگان در آن کهکشان ها تابش کافی برای یونیزه کردن گاز اطراف تولید می کنند. با یونیزه شدن گاز بیشتر، این نواحی شفاف رشد کردند و به تدریج به نور پرانرژی اجازه داد تا آزادانه تر در جهان حرکت کند.

تیم MIT قصد دارد Lumina را در دسترس سایر دانشمندان قرار دهد تا امکان مقایسه بیشتر با مشاهدات را فراهم کند.

Xuejian Shen یکی از نویسندگان این مطالعه گفت که اندازه شبیه سازی جمعیت عظیمی از کهکشان های مجازی را ایجاد می کند و به محققان این امکان را می دهد تا آنها را با نمونه های بزرگ مورد انتظار از بررسی های نجومی آینده مقایسه کنند.

چنین مقایسه‌هایی می‌تواند آزمون مهمی برای درک دانشمندان از جهان اولیه باشد. توافق بین مشاهدات و شبیه‌سازی از مدل‌های فعلی چگونگی شکل‌گیری اولین ساختارهای کیهانی پشتیبانی می‌کند. تفاوت ها می تواند نشان دهد که این مدل ها کجا نیاز به اصلاح دارند.

نیوزویک برای اظهار نظر با الیور زیر از مرکز اخترفیزیک و شن از MIT تماس گرفته است.

خبرنگاران و سردبیران نیوزویک از مارتین، دستیار هوش مصنوعی ما، برای تهیه این داستان استفاده کردند. در اینجا درباره مارتین بیشتر بدانید.

در مورد این داستان با سردبیران نیوزویک تماس بگیرید: بن کلی و ریان مورگان.