شبیه سازی های قدرتمند نشان می دهد که چگونه اولین ستاره ها جهان را تغییر دادند

محققان از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری با جزئیات فوق‌العاده برای بازسازی یکی از دگرگون‌کننده‌ترین دوره‌های تاریخ کیهانی استفاده می‌کنند: دورانی که اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها شروع به ظهور کردند.

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. این پروژه برای بررسی چگونگی روشن شدن اولین ستاره ها و کهکشان ها یک جهان تاریک قبلی و شروع به تولید و پراکندگی عناصر شیمیایی است که بعدا به اجزای ضروری سیارات، حیات و جهان اطراف ما تبدیل شدند، طراحی شده است.

چهار مطالعه از MEGATRON که در مجله Open Journal of Astrophysics منتشر شده است، 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 اصلی از نتایج منتشر شده این همکاری را نشان می دهند و انتظار می رود مطالعات بیشتری در آینده انجام شود.

یافته‌ها نشان می‌دهد که محققان اگر می‌خواهند دو رکورد متفاوت از کیهان اولیه را به هم وصل کنند، باید تعاملات پیچیده بین نور ستاره، گاز و عناصر تازه ایجاد شده را مدل‌سازی کنند.

یکی از مشاهدات کهکشان های جوان که توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) انجام شده است. دیگری از نشانه های شیمیایی حفظ شده در برخی از قدیمی ترین ستارگان کهکشان راه شیری و اطراف آن - کهکشانی که منظومه شمسی ما را در بر می گیرد - می آید.

JWST به اخترشناسان این امکان را می دهد که مستقیما کهکشان ها را از دوران کودکی کیهان رصد کنند. ستارگان باستانی شواهد متفاوتی را ارائه می‌کنند و به عنوان فسیلی از رویدادهایی عمل می‌کنند که میلیاردها سال پیش روی داده‌اند. با بررسی اثر انگشت شیمیایی درون این ستارگان قدیمی، دانشمندان می توانند استنباط کنند که اولین ستاره ها چگونه بوده اند و چگونه شروع به غنی سازی کیهان با اولین عناصر شیمیایی آن کرده اند.

شبیه‌سازی‌های MEGATRON یک کهکشان جوان را دنبال می‌کند که به سمت تبدیل شدن به سیستمی تقریبا قابل مقایسه از نظر جرم با کهکشان راه شیری تکامل می‌یابد. 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 دنبال می کنند.

این به محققان اجازه می دهد تا بررسی کنند که چگونه نسل های ستاره گاز داخل و اطراف کهکشان ها را در طول میلیاردها سال تکامل تغییر می دهند.

نتایج نشان می‌دهد که مدل‌های با جزئیات کمتر ممکن است تأثیر پرتوهای ستاره‌ای قوی و فرآیندهای شیمیایی پیچیده بر گاز کهکشان‌های اطراف را دست کم بگیرند.

با شبیه‌سازی این اثرات با وضوح فوق‌العاده بالا، محققان توانستند ساختارهایی را در گاز بگیرند که روش‌های ساده‌تر می‌توانند از دست بدهند. این جزئیات اضافه می‌تواند به اخترشناسان کمک کند تا پیش‌بینی‌های دقیق‌تری برای رصدهایی که اکنون جمع‌آوری می‌شوند و برای مشاهداتی که در آینده برنامه‌ریزی شده‌اند، انجام دهند.

دکتر مارتین ری از دپارتمان فیزیک دانشگاه باث و یکی از مشارکت کنندگان اصلی همکاری MEGATRON گفت: "تلسکوپ فضایی جیمز وب نمایی مستقیم از کیهان نوزاد را به ما می دهد، در حالی که باستان شناسی ستاره ای به ما امکان می دهد بقایای آن زمان های اولیه را در همسایگی فیزیکی MEGATRON خودمان مطالعه کنیم."

شبیه‌سازی‌ها با گاز بکر بدون عناصر سنگین آغاز می‌شود و شرایطی را که مدت کوتاهی پس از انفجار بزرگ وجود داشت بازتولید می‌کند.

از آنجا، این مدل‌ها شکل‌گیری اولین ستاره‌ها، تشعشعاتی را که ستارگان منتشر می‌کنند، انفجارهای ابرنواختری که در پایان عمرشان رخ می‌دهد و گسترش 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 شده‌اند. برای اینکه بفهمیم این عناصر از کجا آمده‌اند، باید بدانیم که اولین ستاره‌ها چگونه شکل گرفته و محیط اطراف خود را غنی کرده‌اند. MEGATRON به ما اجازه می‌دهد تا این ایده‌ها را مستقیما با مقایسه شبیه‌سازی‌های دقیق با مشاهدات شیمیایی حفظ شده در اثر انگشت JWST آزمایش کنیم."

با پیشروی پروژه، محققان قصد دارند از MEGATRON برای ایجاد ارتباطات قوی‌تر بین مدل‌های نظری و بهبود سریع مشاهدات نجومی استفاده کنند.

JWST همچنان به افشای اطلاعات جدید در مورد برخی از کهکشان های اولیه شناخته شده ادامه می دهد، در حالی که بررسی های ستاره ای بزرگ اندازه گیری های دقیق تری از ستارگان باستانی در و اطراف کهکشان راه شیری ایجاد می کنند. 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 کار بر روی نسل بعدی شبیه سازی MEGATRON هستند.

این پروژه 40 میلیون ساعت پردازنده در ابرکامپیوترهای ملی بریتانیا دریافت کرده است. این مقدار قدرت محاسباتی معادل اجرای همزمان پنج میلیون لپ تاپ برای یک سال کامل است.

منابع اضافی به تیم اجازه می دهد تا شبیه سازی هایی با وضوح بیشتر و مدل های فیزیکی کامل تر بسازد. سپس محققان می توانند 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 مجموعه‌داده‌های جدید نجوم ارائه می‌کند: دیدگاه JWST از اولین کهکشان‌ها و فسیل‌های ستاره‌ای.» با هم، این مشاهدات تکمیلی به ما امکان می‌دهد مدل‌های رقیب ستاره‌های اول را به روش‌هایی آزمایش کنیم که قبلا ممکن نبود.»

پروژه MEGATRON در سال 2023 آغاز شد و قرار است تا سال 2030 ادامه یابد.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه باث. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

این "توپ اتمی" می تواند نظریه گرانش انیشتین را به چالش بکشد

یک سیگنال مغزی شگفت انگیز می تواند توضیح دهد که چرا خوردن پروتئین کمتر باعث افزایش طول عمر می شود

دانشمندان از هم پاشیدگی قمرها را شبیه سازی کردند - و چیزی غیرمنتظره پیدا کردند

DNA سرکش سرطان دارای پاشنه آشیل است - و دانشمندان به تازگی آن را پیدا کردند