ابتكر علماء الفيزياء الفلكية محاكاة “آلة الزمن” لمراقبة دورة حياة أسلاف مدن المجرة

يصمم العلماء محاكاة “آلة الزمن” التي تدرس دورة حياة أسلاف مدن المجرات.

تستغرق العديد من العمليات في الفيزياء الفلكية وقتًا طويلاً جدًا ، مما يجعل دراسة تطورها أمرًا صعبًا. على سبيل المثال ، يبلغ عمر نجم مثل شمسنا حوالي 10 مليارات سنة وتتطور المجرات على مدار مليارات السنين.

تتمثل إحدى الطرق التي يتعامل بها علماء الفيزياء الفلكية مع هذا في النظر إلى أجسام مختلفة مختلفة لمقارنتها في مراحل مختلفة من التطور. يمكنهم أيضًا النظر إلى الأشياء البعيدة للنظر بشكل فعال إلى الوراء ، بسبب طول الوقت الذي يستغرقه الضوء للوصول إلى تلسكوباتنا. على سبيل المثال ، إذا نظرنا إلى كائن يبعد 10 مليارات سنة ضوئية ، فإننا نراه كما كان قبل 10 مليارات سنة.

الآن ، ولأول مرة ، ابتكر الباحثون عمليات محاكاة تعيد إنشاء دورة الحياة الكاملة لبعض أكبر مجموعات المجرات التي لوحظت في الكون البعيد منذ 11 مليار سنة ، وفقًا لدراسة جديدة نُشرت في 2 يونيو 2022 في المجلة. علم الفلك الطبيعي.

تعتبر عمليات المحاكاة الكونية ضرورية لدراسة كيف أصبح الكون بالشكل الذي هو عليه اليوم ، لكن العديد منها لا يتطابق عادةً مع ما يرصده علماء الفلك من خلال التلسكوبات. تم تصميم معظمها لمطابقة الكون الحقيقي فقط بالمعنى الإحصائي. من ناحية أخرى ، تم تصميم المحاكاة الكونية المقيدة لإعادة إنتاج الهياكل التي نلاحظها بالفعل في الكون. ومع ذلك ، فقد تم تطبيق معظم عمليات المحاكاة الحالية من هذا النوع على كوننا المحلي ، أي بالقرب من الأرض ، ولكن لم يتم تطبيقه على ملاحظات الكون البعيد.

كان فريق من الباحثين ، بقيادة معهد كافلي للفيزياء والرياضيات للباحث في مشروع الكون والمؤلف الأول ميتين آتا والبروفيسور المساعد للمشروع خي جان لي ، مهتمين بالبنى البعيدة مثل العناقيد المجرية الضخمة ، والتي هي أسلاف اليوم. عناقيد المجرات قبل أن تتجمع تحت تأثير جاذبيتها. ووجدوا أن الدراسات الحالية التي أجريت على العناقيد الأولية البعيدة كانت في بعض الأحيان مفرطة في التبسيط ، مما يعني أنها أجريت باستخدام نماذج بسيطة وليس محاكاة.

تُظهر لقطات الشاشة من المحاكاة (أعلى) توزيع المادة المقابل لتوزيع المجرات المرصود في وقت سفر خفيف يبلغ 11 مليار سنة (عندما كان عمر الكون 2.76 مليار سنة فقط أو 20٪ من عمره الحالي) ، و (أسفل) توزع المادة في نفس المنطقة بعد 11 مليار سنة ضوئية أو ما يقابل زمننا الحاضر. الائتمان: آتا وآخرون.

قال آتا: “أردنا أن نحاول تطوير محاكاة كاملة للكون الحقيقي البعيد لنرى كيف بدأت الهياكل وكيف انتهت”.

كانت نتيجتهم COSTCO (المحاكاة المقيدة لحقل COsmos).

قال لي إن تطوير المحاكاة يشبه إلى حد كبير بناء آلة الزمن. نظرًا لأن الضوء القادم من الكون البعيد يصل إلى الأرض الآن فقط ، فإن تلسكوبات المجرات التي ترصدها اليوم هي لقطة من الماضي.

قال: “إن الأمر أشبه بالعثور على صورة قديمة بالأبيض والأسود لجدك وإنشاء مقطع فيديو عن حياته”.

وبهذا المعنى ، أخذ الباحثون لقطات لمجرات أجداد “شابة” في الكون ثم قاموا بسرعة بتقديم عمرهم لدراسة كيفية تشكل مجموعات المجرات.

قطع الضوء من المجرات التي استخدمها الباحثون مسافة 11 مليار سنة ضوئية للوصول إلينا.

وكان التحدي الأكبر هو أخذ البيئة واسعة النطاق في الحسبان.

“هذا شيء مهم جدًا لمصير تلك الهياكل سواء كانت معزولة أو مرتبطة بهيكل أكبر. إذا لم تأخذ البيئة في الحسبان ، فستحصل على إجابات مختلفة تمامًا. قال آتا: “لقد تمكنا من أخذ البيئة واسعة النطاق في الحسبان باستمرار ، لأن لدينا محاكاة كاملة ، وهذا هو السبب في أن تنبؤنا أكثر استقرارًا”.

https://www.youtube.com/watch؟v=HEWNYBfrk8M

سبب آخر مهم وراء إنشاء الباحثين لهذه المحاكاة هو اختبار النموذج القياسي لعلم الكونيات ، والذي يستخدم لوصف فيزياء الكون. من خلال التنبؤ بالكتلة النهائية والتوزيع النهائي للهياكل في مكان معين ، يمكن للباحثين كشف النقاب عن تناقضات لم يتم اكتشافها سابقًا في فهمنا الحالي للكون.

باستخدام عمليات المحاكاة الخاصة بهم ، تمكن الباحثون من العثور على دليل على وجود ثلاث مجموعات مجرية أولية منشورة بالفعل ، وإزعاج بنية واحدة. علاوة على ذلك ، تمكنوا من تحديد خمسة هياكل أخرى تتشكل باستمرار في عمليات المحاكاة الخاصة بهم. يتضمن ذلك العنقود الفائق Hyperion proto-supercluster ، وهو أكبر وأقدم عنقود فائق بروتو معروف اليوم والذي يبلغ وزنه 5000 ضعف كتلة مجموعتنا.[{” attribute=””>Milky Way galaxy, which the researchers found out it will collapse into a large 300 million light year filament.

Their work is already being applied to other projects including those to study the cosmological environment of galaxies, and absorption lines of distant quasars to name a few.

Details of their study were published in Nature Astronomy on June 2.

Reference: “Predicted future fate of COSMOS galaxy protoclusters over 11 Gyr with constrained simulations” by Metin Ata, Khee-Gan Lee, Claudio Dalla Vecchia, Francisco-Shu Kitaura, Olga Cucciati, Brian C. Lemaux, Daichi Kashino and Thomas Müller, 2 June 2022, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-022-01693-0