نموذج مرجعي جديد للفجر الكوني
جعلت رصودات تلسكوب جيمس ويب الفضائي العصور الأولى للكون جبهة علمية أكثر مباشرة بكثير. يستطيع علماء الفلك الآن رؤية مجرات وبنى تعود إلى فترات كانت في السابق بعيدة إلى حد كبير عن القياس المباشر. لكن هذه الفرصة تخلق أيضاً مشكلة تفسيرية صعبة: فالتلسكوبات تقدم رصودات، بينما يحتاج الباحثون إلى تنبؤات مفصلة فيزيائياً لتحديد النظريات التي تفسرها على أفضل نحو.
طوّر فريق في Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian محاكاة Lumina، المصممة لردم هذه الفجوة. ويتتبع النموذج، المنشور في Monthly Notices of the Royal Astronomical Society، تفاعل المادة العادية والمادة المظلمة والإشعاع خلال أول ملياري سنة من عمر الكون. ويصفها الباحثون بأنها واحدة من أكبر المحاكيات وأكثرها تفصيلاً للكون المبكر حتى الآن.
صُممت Lumina لتكون منصة اختبار لرصودات Webb وتلسكوب Nancy Roman Space Telescope المرتقب ومراصد أخرى. ويمكن للعلماء مقارنة ما تراه التلسكوبات بتنبؤات النموذج، ثم تقييم ما إذا كانت التفسيرات الراسخة للتطور الكوني لا تزال متسقة مع البيانات. ولن يؤدي عدم التطابق تلقائياً إلى إسقاط الفيزياء الحالية، لكنه قد يحدد مواضع تحتاج فيها النماذج إلى تحسين أو تشير فيها الرصودات إلى ظواهر لم تُفسر بالكامل بعد.
لماذا تهم المحاكاة
يعتمد علم الفلك الحديث على تبادل مستمر بين الرصد والنظرية. يرصد علماء الفلك الضوء القادم من النجوم والمجرات والمادة المنتشرة في أنحاء السماء، بينما تشرح النماذج الفيزيائية كيف ينبغي للجاذبية والإشعاع والمادة أن تنتج الأنماط التي تلتقطها التلسكوبات. وتجعل الحواسيب العملاقة من الممكن تحويل هذه النماذج إلى تنبؤات كمية واسعة النطاق.
وتزداد قيمة هذه العملية في دراسة الكون المبكر. فقد شهدت مليارات السنين الأولى ظروفاً متغيرة بسرعة: تجمعت المادة تحت تأثير الجاذبية، وساعدت المادة المظلمة في تشكيل سقالة البنية الكونية، وأثر الإشعاع في حالة المادة بين المجرات. ويتعين على المحاكاة المفيدة أن تتعامل مع هذه العمليات المترابطة معاً، بدلاً من اعتبار تشكل المجرات حدثاً منفصلاً.
تهدف Lumina إلى التقاط هذا التطور المترابط. وتشمل مخرجاتها تصويراً للشبكة الكونية يمتد لنحو 650 مليون سنة ضوئية. وفي هذه التصورات، ترسم الخيوط الدقيقة البنية واسعة النطاق التي تتوزع عبرها المادة، بينما تحدد المناطق الأكثر كثافة الأماكن التي تراكمت فيها المادة. كما تتتبع المحاكاة المناطق التي تحول فيها الهيليوم إلى شكله الحديث، وهو مؤشر على الظروف الفيزيائية المتغيرة في الكون الفتي.
تحويل بيانات التلسكوبات إلى اختبارات
يتمثل الدور العملي لـLumina في المقارنة. فقد يكشف التلسكوب عن مجموعة من المجرات المبكرة، أو توزيع للمادة، أو بصمة مرتبطة بالإشعاع في الوسط بين المجرات. ويمكن للباحثين أن يسألوا ما إذا كان نموذج مبني على النظريات الحالية ينتج سمات مماثلة في ظروف قابلة للمقارنة. ويزيد الاتفاق من الثقة بأن الافتراضات الأساسية تلتقط أجزاء مهمة من التاريخ الكوني. ويمكن للاختلاف أن يكون مفيداً بالقدر نفسه لأنه يحدد المواضع التي تحتاج إلى تدقيق أكبر.
ووصف المؤلف الرئيسي Oliver Zier، وهو زميل ITC في Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian، Webb بأنه جعل الكون المبكر جبهة مثيرة بصورة خاصة في الفيزياء الفلكية. ونقطته واضحة: فالأجهزة الأكثر قدرة تتطلب تنبؤات مفصلة بما يكفي لمواكبة البيانات. ولم تعد النماذج المفاهيمية العامة كافية عندما تستطيع الرصودات استكشاف الكون الفتي بمدى وتفصيل أكبر بكثير.
وسيضيف Roman مصدراً آخر للرصد. ويمكن لـWebb وRoman وتلسكوبات أخرى أن تقدم رؤى مختلفة للفترة العامة نفسها من التاريخ الكوني. وتمنح محاكيات مثل Lumina الباحثين إطاراً فيزيائياً مشتركاً لترجمة تلك القياسات إلى أسئلة حول تشكل البنى والقوانين التي حكمت الكون بعد الانفجار العظيم.
أداة وليست إجابة نهائية
لا تستند قيمة المحاكاة إلى إعلان اكتمال تفسير واحد للكون. بل تكمن في جعل الافتراضات واضحة وإنتاج تنبؤات يمكن لأعمال أخرى اختبارها. ووفقاً لفريق البحث، تمثل Lumina سنوات من العمل، وقد صُممت نتائجها للاستخدام إلى جانب الرصودات الجديدة عند وصولها.
ومن المرجح أن يهم ذلك مع تسارع علم فلك الكون المبكر. فقد يعزز كل رصد جديد تصور نموذج لكيفية تطور المادة والإشعاع، أو يكشف قيداً في الحساب، أو يظهر سمة غير متوقعة تستحق مزيداً من التحقيق. ومن خلال محاكاة المادة العادية والمادة المظلمة والإشعاع عبر فترة واسعة من الزمن الكوني المبكر، توفر Lumina خط أساس أكثر تفصيلاً لهذه العملية.
بالنسبة إلى الجمهور، قد تكون تصورات المحاكاة النتيجة الأكثر إثارة للانتباه فوراً: إذ تعرض الخيوط ومناطق المادة المتغيرة حقبة لا يمكن مشاهدتها مباشرة. أما بالنسبة إلى الباحثين، فالنتيجة الأهم منهجية. تحول Lumina الأفكار المتعلقة بالكون المبكر إلى تنبؤات يمكن مواجهتها بالأدلة. وفي مجال توسع فيه التلسكوبات الجديدة بسرعة ما يمكن رصده، تمثل هذه المقارنة محوراً أساسياً لتحديد ما الذي يخبرنا به الكون.
يستند هذا المقال إلى تقرير من Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on phys.org
