لومینا ۲ میلیارد سال از تاریخ اولیه جهان را شبیه‌سازی کرد
به گزارش ابرار صنعتی، پژوهشگران با توسعه یک شبیه‌سازی رایانه‌ای به نام Lumina توانستند حدود ۲ میلیارد سال از تاریخ اولیه جهان پس از مه‌بانگ را بازسازی کنند. پروژه چگونگی شکل‌گیری نخستین ستارگان و کهکشان‌ها، گسترش ماده تاریک و تغییر وضعیت گازهای هیدروژن و هلیوم را در مقیاسی بسیار گسترده بررسی می‌کند. محاسبات این پروژه با استفاده از ابررایانه Frontier در آزمایشگاه ملی اوک‌ریج آمریکا انجام شده است.
شبیه‌سازی حاصل همکاری پژوهشگران مؤسسه اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونیان، دانشگاه MIT و دانشگاه تگزاس در دالاس است. نتایج پژوهش در تاریخ ۲۶ اکتبر ۲۰۲۶ در مجله علمی Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شد. لومینا به دانشمندان امکان می‌دهد تحولات جهان را از دوران تاریکی کیهانی تا شکل‌گیری ساختارهای نخستین بررسی کنند.
شبیه‌سازی لومینا چه بخش‌هایی از جهان اولیه را بازسازی می‌کند؟
جهان پس از مه‌بانگ در حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش، محیطی بسیار داغ و متراکم داشت. با گسترش جهان و کاهش دما، ذرات توانستند الکترون‌ها را جذب کنند و اتم‌های خنثی هیدروژن شکل گرفتند. این وضعیت باعث شد نور نتواند آزادانه در فضا حرکت کند. حدود ۳۸۰ هزار سال پس از مه‌بانگ، دوره‌ای آغاز شد که اخترشناسان آن را عصر تاریکی کیهانی می‌نامند.
لومینا شبیه‌سازی خود را از حدود ۴۵ میلیون سال پس از مه‌بانگ آغاز می‌کند و تحولات ۲ میلیارد سال بعد را دنبال می‌کند. در این بازه، نخستین ستارگان و کهکشان‌ها شکل گرفتند و تابش آن‌ها ترکیب و وضعیت گازهای موجود در فضای میان‌کهکشانی را تغییر داد.
این مدل رایانه‌ای چهار مؤلفه اصلی را به‌صورت هم‌زمان بررسی می‌کند:
- ماده تاریک: نحوه توزیع و تجمع ماده تاریک و نقش آن در شکل‌گیری ساختارهای بزرگ کیهانی.
- گازهای کیهانی: تغییر چگالی، دما و ترکیب گازهای موجود در فضای میان کهکشان‌ها.
- ستارگان و کهکشان‌ها: شکل‌گیری و تحول کهکشان‌های اولیه و تولید نور توسط ستارگان.
- تابش و فوتون‌ها: حرکت نور و تأثیر پرتوهای پرانرژی بر اتم‌های هیدروژن و هلیوم.
بازسازی دو مرحله مهم یونش هیدروژن و هلیوم
بخش مهم پروژه لومینا به بررسی فرایندی به نام بازیونش یا Reionization اختصاص دارد. در این فرایند، تابش پرانرژی باعث جدا شدن الکترون‌ها از اتم‌های خنثی می‌شود. در نتیجه، گازهای موجود در جهان اولیه به حالت یونیده درمی‌آیند.
بر اساس نتایج شبیه‌سازی، نور فرابنفش تولیدشده توسط ستارگان و کهکشان‌های اولیه نقش اصلی را در بازیونش هیدروژن داشته است. این تابش الکترون‌های اتم‌های هیدروژن را جدا کرد و باعث شد نور بتواند در مناطق بیشتری از جهان حرکت کند.
در مورد هلیوم، شرایط متفاوت بوده است. یونش دوباره هلیوم به تابش پرانرژی‌تری نیاز دارد. شبیه‌سازی لومینا نشان می‌دهد که سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم فعال در مراکز کهکشان‌ها، از طریق جذب ماده و انتشار انرژی، نقش اصلی را در این فرایند ایفا کرده‌اند.
نکته علمی مهم: لومینا هر دو فرایند بازیونش هیدروژن و هلیوم را در یک مدل واحد و با درنظرگرفتن تأثیر آن‌ها بر تحول محیط کیهانی شبیه‌سازی کرده است؛ قابلیتی که در مدل‌های پیشین با چنین مقیاس و جزئیاتی وجود نداشت.
اجرای پروژه با ۱۵ هزار پردازنده گرافیکی
اجرای لومینا به توان پردازشی بسیار زیادی نیاز داشت؛ زیرا پژوهشگران باید تغییرات ماده، گاز و تابش را در مقیاس‌های بسیار بزرگ و همچنین در محدوده کهکشان‌های منفرد محاسبه می‌کردند. برای انجام این محاسبات از ابررایانه Frontier مستقر در آزمایشگاه ملی اوک‌ریج ایالت تنسی آمریکا استفاده شد.
این شبیه‌سازی در مقیاس اوج پردازش، از توان معادل بیش از ۱۰۰ هزار هسته پردازنده مرکزی و حدود ۱۵ هزار پردازنده گرافیکی استفاده کرده است. مدل لومینا همچنین نزدیک به نیم تریلیون عنصر محاسباتی شامل ذرات ماده تاریک و سلول‌های گازی را در بر می‌گیرد.
ابعاد فضایی این مدل حدود ۵۰۰ مگاپارسک، معادل تقریباً ۱.۶ میلیارد سال نوری است. حجم فضایی شبیه‌سازی‌شده بیش از ۱۰۰ برابر مدل‌های مشابه قبلی گزارش شده و قدرت تفکیک آن نیز حدود ۳۰ برابر بیشتر از شبیه‌سازی IllustrisTNG است.
«لومینا امکان بررسی هم‌زمان شکل‌گیری کهکشان‌ها، بازیونش هیدروژن و بازیونش هلیوم را در یک حجم عظیم کیهانی فراهم می‌کند. شبیه‌سازی به پژوهشگران اجازه می‌دهد پیش‌بینی‌های مدل‌های فیزیکی را با مشاهدات تلسکوپ‌های فضایی مقایسه کنند.»
منبع: academic.oup.com
