الملخص:
استخدم علماء الفلك واحدًا من أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم لبناء واحدة من أكبر عمليات المحاكاة وأكثرها تطورًا للكون المبكر حتى الآن. يعيد هذا المشروع البحثي، المسمى "لومينا"، تطور أول ملياري سنة بعد ولادة الكون. يبلغ طول المنطقة المحاكاة حوالي 1.5 مليار سنة ضوئية على كل جانب. ويهدف إلى مساعدة العلماء على فهم كيفية تشكل النجوم والمجرات الأولى، وكيف تشكل المادة المظلمة والإشعاع الكون اليوم.
تم تطوير لومينا من قبل باحثين في مركز الفيزياء الفلكية، وهي عملية مشتركة بين جامعة هارفارد ومعهد سميثسونيان. نُشرت نتائج البحث في "الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية" في 26 أكتوبر 2026. ويأمل فريق البحث في استخدام هذا الكون الافتراضي لمقارنة النموذج النظري مع البيانات التي حصل عليها تلسكوب جيمس ويب الفضائي وتلسكوب نانسي غريس الفضائي الروماني والتي سيتم وضعها قريبًا في المراقبة العلمية، وبالتالي اختبار ما إذا كانت النظريات الكونية الحالية يمكنها تفسير المظهر الحقيقي للكون المبكر.
تمكن علم الفلك الحديث من رصد المجرات البعيدة جدًا عن الأرض. ويستغرق الضوء المنبعث من هذه الأجسام مليارات السنين للوصول إلى الأرض، لذلك يمكن للتلسكوبات أن تساعد البشر في النظر إلى التاريخ المبكر للكون. ومع ذلك، فإن الملاحظات وحدها لا تكفي لتفسير كيفية تشكل هذه المجرات بشكل كامل. ويحتاج العلماء أيضًا إلى استخدام عمليات المحاكاة الحاسوبية لاستنتاج كيفية تغير المادة والطاقة على مدى مليارات السنين، بدءًا من الظروف الأولية للكون واستنادًا إلى القوانين الفيزيائية المعروفة.
يعادل هذا النوع من المحاكاة إنشاء مختبر افتراضي. يمكن للباحثين ضبط الظروف الفيزيائية المختلفة، ومراقبة التفاعلات بين النجوم والمجرات والغاز والمادة المظلمة، ومقارنة نتائج المحاكاة مع الملاحظات الفلكية الفعلية. إذا تطابق الاثنان، فهذا يعني أن النظرية الحالية قد تلقت المزيد من الدعم؛ وإذا كانت هناك اختلافات واضحة، فقد يشير ذلك إلى أنه لا تزال هناك فجوات في فهم العلماء لتطور الكون.
الميزة الأكثر لفتًا للانتباه في لومينا هي حجمها. تغطي المحاكاة بأكملها مساحة مكعبة يبلغ طول ضلعها حوالي 1.5 مليار سنة ضوئية، وهو أكبر 100 مرة من عمليات المحاكاة المماثلة السابقة. يسمح هذا النطاق المكاني الضخم للباحثين بمراقبة تكوين الهياكل واسعة النطاق في الكون في وقت واحد، بالإضافة إلى العمليات الفيزيائية التي تحدث حول المجرات الفردية والنجوم وحتى الثقوب السوداء.
يعد هذا البحث جزءًا من المحاكاة الكونية للهيدروديناميكية الإشعاعية. وعلى عكس النماذج التي تتتبع فقط توزيع المادة، فإنها تتطلب أيضًا حسابات للتفاعلات المعقدة بين الغاز والمادة المظلمة والإشعاع. على الرغم من أنه لا يمكن ملاحظة المادة المظلمة مباشرة من خلال الضوء، إلا أنها يمكن أن تؤثر على تكوين المجرات وغيرها من الهياكل الكونية من خلال الجاذبية. فالإشعاع الصادر عن الأجسام المضيئة مثل النجوم سيغير درجة الحرارة والحالة الفيزيائية للغاز المحيط، مما يؤثر على التطور اللاحق للكون.
أولى فريق البحث اهتمامًا خاصًا بمرحلة بالغة الأهمية في تاريخ الكون - فترة إعادة التأين. كانت هناك كمية كبيرة من غاز الهيدروجين والهيليوم في الأيام الأولى لنشوء الكون. مع ظهور النجوم الأولى والأجسام المضيئة الأخرى، أدى الإشعاع عالي الطاقة الذي أطلقته تدريجيًا إلى تجريد الذرات من الإلكترونات، مما أدى إلى تحويل الغاز المحيط إلى حالة متأينة. غيرت هذه العملية خصائص الغاز في الكون بشكل عميق، كما خلقت الظروف للتطور اللاحق للمجرات والهياكل واسعة النطاق للكون.
من الإنجازات المهمة التي حققتها لومينا أنه لأول مرة في محاكاة بهذا الحجم، يمكن تتبع عملية إعادة تأين الهيليوم ديناميكيًا، ويمكن أن تؤثر التغييرات الناتجة عن تأين الهيليوم على الفور على العمليات الفيزيائية الأخرى في المحاكاة. في السابق، على الرغم من أن الباحثين كانوا قادرين على دراسة بعض الظواهر ذات الصلة بشكل منفصل، إلا أنه كان من الصعب أن نأخذ في الاعتبار في الوقت نفسه البنية العامة للكون والأجسام المجهرية التي تدفع هذه التغييرات في مثل هذا النطاق المكاني الضخم.
قال آرون سميث، الأستاذ المساعد في الفيزياء بجامعة تكساس في دالاس والذي شارك في الدراسة، إن فريق البحث قادر الآن على تتبع كيفية تحول الهيدروجين والهيليوم تدريجيًا إلى الحالات المألوفة لديهم اليوم عبر مثل هذا النطاق الواسع من الكون، مع الاحتفاظ بالدقة الكافية لمراقبة المجرات والأجسام المضيئة الأخرى التي تقود هذا التغيير.
يتطلب إكمال مثل هذه المحاكاة المعقدة موارد حاسوبية كبيرة للغاية. واستخدم الباحثون الكمبيوتر العملاق Frontier في مختبر أوك ريدج الوطني في الولايات المتحدة واستخدموا أكثر من 15000 معالج رسومي لإكمال الحسابات. يعد Frontier واحدًا من أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم، وتسمح قوته الحاسوبية المتوازية القوية لفريق البحث بتوسيع نطاق عمليات المحاكاة مع الاحتفاظ بالتفاصيل اللازمة لدراسة المجرات والنجوم والثقوب السوداء الفردية.
يقول الباحثون إن لومينا لا يقتصر فقط على إنشاء عرض مرئي لتطور الكون. قيمته الأكثر أهمية هي مساعدة العلماء على اختبار التفسيرات الكونية المختلفة وتقديم تنبؤات يمكن التحقق منها لعمليات الرصد التلسكوبية المستقبلية. على سبيل المثال، سيقوم الباحثون بتحليل كيفية تدفق الغاز بين المجرات المختلفة، وكيف يؤثر الإشعاع المتبقي من الانفجار الكبير على تطور الكون، وكيف يحدث ويتغير المناطق التي يحدث فيها تكوين النجوم النشط بشكل خاص.
مع استمرار المعدات مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي والتلسكوب الفضائي الروماني في تقديم بيانات مراقبة أكثر تفصيلاً للكون البعيد، فمن المتوقع أن تصبح لومينا أداة مهمة تربط بين النماذج النظرية والملاحظات الحقيقية. يمكن للعلماء مقارنة الكون المحاكى بالكون الفعلي، والبحث عن الظواهر التي يمكن للنظريات الموجودة تفسيرها، بالإضافة إلى تلك الاختلافات التي لا تزال غير قابلة للتفسير بشكل معقول.
يأمل فريق البحث أن يساعد هذا الكون الافتراضي الممتد على 1.5 مليار سنة ضوئية البشر في نهاية المطاف على فهم أعمق لما حدث في أول ملياري سنة بعد الانفجار الكبير، وكيف ولدت المجرات الأولى من مادة وطاقة الكون المبكر.
التعليقات