Τον τρόπο με τον οποίο τα πρώτα άστρα και οι μαύρες τρύπες προκάλεσαν επανιονισμό, την αινιγματική κοσμολογική διαδικασία που μετασχημάτισε το σύμπαν, αναπαριστά ένα από τα πιο λεπτομερή μοντέλα προσομοίωσης που κατάφεραν να δημιουργήσουν οι επιστήμονες.
Η νέα προσομοίωση, την οποία ανέπτυξε ομάδα διεθνών ερευνητών και δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ονομάζεται Lumina και βοηθά με έναν τρόπο να καλυφθούν τα κενά στη μυστηριώδη πρώιμη ιστορία του κόσμου.
Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), η υπεριώδης ακτινοβολία από αυτές τις πρώιμες πηγές φωτός αφαίρεσε τα ηλεκτρόνια από τα άτομα υδρογόνου, το πιο κοινό στοιχείο στο διάστημα, επιτρέποντας στο φως να ταξιδέψει μακρύτερα και αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονταν οι γαλαξίες.
Το πρώιμο σύμπαν έχει γίνει ένα συναρπαστικό νέο σύνορο για τους αστρονόμους που επιδιώκουν να κατανοήσουν πώς ο Κόσμος εξελίχθηκε σε αυτό που είναι σήμερα. Επειδή το φως χρειάζεται χρόνο για να ταξιδέψει στο διάστημα, τα ισχυρά τηλεσκόπια, όπως το James Webb της NASA, αποτυπώνουν μακρινούς γαλαξίες, όπως εμφανίζονταν πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά η μελέτη ενός τόσο μεγάλου χρονικού διαστήματος της κοσμικής ιστορίας απαιτεί προσομοιώσεις σε παρόμοια τεράστια κλίμακα. Εδώ έρχονται μοντέλα όπως το Lumina.
Διαβάστε Επίσης
Ένα από τα πιο ελπιδοφόρα χαρακτηριστικά του Lumina είναι η τεράστια κλίμακά του, η οποία καλύπτει πάνω από 100 φορές περισσότερο χώρο από προηγούμενες προσομοιώσεις, όπως εξήγησε μιλώντας στο CNN ο επικεφαλής συγγραφέας Όλιβερ Τσίερ, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ινστιτούτο Θεωρίας και Υπολογιστών στο Κέντρο Αστροφυσικής Harvard & Smithsonian, στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης.
«Έχουμε έναν κοσμικό όγκο όπου μπορούμε να δούμε αυτόν τον κοσμικό ιστό, πώς οι γαλαξίες είναι συσσωρευμένοι. Ταυτόχρονα, αναλύουμε μεμονωμένους γαλαξίες», είπε ο Τσίερ, αναφερόμενος στην ικανότητα της προσομοίωσης να αποτυπώνει τόσο την απεραντοσύνη του διαστήματος όσο και τις περίπλοκες λεπτομέρειες.
Η προσομοίωση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο θεωριών σχετικά με το πώς εξελίχθηκε το σύμπαν. Οι επιστήμονες μπορούν να συγκρίνουν το σενάριο του πρώιμου σύμπαντος που μοντελοποιείται στο Lumina με παρατηρήσεις από τηλεσκόπια όπως το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb. Εάν τα αποτελέσματα ταιριάζουν, οι επιστήμονες μπορούν να αποκτήσουν μεγαλύτερη εμπιστοσύνη στις θεωρίες τους.
«Αλλά είναι στην πραγματικότητα πιο ενδιαφέρον αν δεν συμφωνούν, επειδή αυτό σημαίνει ότι κάτι λείπει από το μοντέλο μας, και αυτό μπορεί να δώσει στοιχεία για φυσική που λείπει», δήλωσε ο Τσίερ.
Τέτοιες αποκλίσεις θα μπορούσαν να προσφέρουν ενδείξεις για το σύμπαν που οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη κατανοήσει πλήρως.
Η μεγαλύτερη προσομοίωση του είδους της
Το Lumina εκτείνεται σε μια περιοχή διαμέτρου περίπου 1,5 δισεκατομμυρίου ετών φωτός προς κάθε κατεύθυνση. Για σύγκριση, ο Γαλαξίας μας έχει πλάτος περίπου 100.000 έτη φωτός, σύμφωνα με τη NASA.
Το τεράστιο μοντέλο χρειάστηκε σχεδόν τρία χρόνια για να ολοκληρωθεί, χρησιμοποιώντας περισσότερες από 15.000 μονάδες επεξεργασίας γραφικών (GPU) στον Frontier, έναν υπερυπολογιστή στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί, για να παρέχει την υπολογιστική ισχύ που απαιτείται για ένα τέτοιο κατόρθωμα.
Το Lumina δεν έχει κυκλοφορήσει πλήρως στο κοινό, αλλά βίντεο της προσομοίωσης υπογραμμίζουν πόσο τεράστιο είναι πραγματικά το διάστημα, κάνοντας ζουμ σε μεμονωμένους γαλαξίες και στη συνέχεια απομακρυνόμενα για να δείξουν πόσο μικροί είναι σε σύγκριση με άλλους σε όλο τον Κόσμο. Η Γη μπορεί να φαίνεται γιγαντιαία, αλλά είναι απλώς ένας από τους πολλούς πλανήτες στον Γαλαξία μας, ο οποίος είναι ένας από τους αμέτρητους γαλαξίες στο σύμπαν.
«Παρόλο που το Lumina είναι πολύ μεγάλο, εξακολουθεί να είναι μόνο ένα πολύ μικρό μέρος του σύμπαντος», είπε ο Τσίερ.
Για πρώτη φορά, το Lumina επιτρέπει στους ερευνητές να μελετήσουν πώς οι αλλαγές τόσο στο υδρογόνο όσο και στο ήλιο, το δεύτερο πιο κοινό στοιχείο στο διάστημα, μετασχημάτισαν το πρώιμο σύμπαν μέσα σε μια ενιαία προσομοίωση.
«Το Lumina είναι ένα πραγματικά εντυπωσιακό τεχνολογικό επίτευγμα», δήλωσε ο Τζούλιαν Μουνιόθ, επίκουρος καθηγητής αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη.
«Οι προσομοιώσεις για το πώς σχηματίζονται οι πρώτοι γαλαξίες και ιονίζουν το πρώιμο σύμπαν είναι δαπανηρές, οπότε συνήθως παρακολουθούν μόνο αρκετά μικρά τμήματα του Κόσμου για περιορισμένο χρονικό διάστημα. Το Lumina είναι μεγαλύτερο σε μέγεθος και τρέχει για μεγαλύτερο κοσμικό χρόνο από προηγούμενες λεπτομερείς προσομοιώσεις αυτού του είδους», πρόσθεσε ο ίδιος.
Το πρώιμο σύμπαν δεν άλλαξε ομοιόμορφα. Ορισμένες περιοχές εξελίχθηκαν ταχύτερα από άλλες, και η τεράστια κλίμακα του Lumina επιτρέπει στους ερευνητές να δουν πώς οι διαφορετικές περιοχές μετατοπίστηκαν με την πάροδο του χρόνου, ανέφερε ο Μουνιόθ.
Πρόσθεσε ότι η προσομοίωση θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να μελετήσουν πώς η συνηθισμένη ύλη και η σκοτεινή ύλη κινούνταν διαφορετικά στο διάστημα.
Τα υπολογιστικά μοντέλα για το πώς πήραν σχήμα οι πρώτοι γαλαξίες συχνά εστιάζουν στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τριών βασικών κοσμικών συστατικών: της συνηθισμένης ύλης, δηλαδή των υλικών που απαρτίζουν τα άστρα, τους πλανήτες και τους ανθρώπους, της σκοτεινής ύλης, μιας αόρατης ουσίας που αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος της ύλης του σύμπαντος και της ακτινοβολίας.
Σε αντίθεση με τη σκοτεινή ύλη, η συνηθισμένη ύλη αλληλεπιδρά με το φως, γεγονός που προκαλεί την κίνηση των δύο τύπων ύλης με διαφορετικές ταχύτητες. Στην αρχή της ιστορίας του σύμπαντος, αυτές οι διαφορές άφησαν κοσμικά πρότυπα που εκτείνονται σε εκατομμύρια έτη φωτός. Αν και αυτά τα πρότυπα δεν μπορούν να παρατηρηθούν απευθείας μέσω τηλεσκοπίων, οι διακυμάνσεις μπορούν να αποτυπωθούν σε χάρτες μέσω προσομοιώσεων όπως το Lumina, επιτρέποντας στους επιστήμονες να ερευνήσουν πώς η δυναμική της ύλης μπορεί να διαμόρφωσε το πρώιμο σύμπαν.
