ينشئ علماء الفيزياء الفلكية عمليات محاكاة “آلة الزمن” لمراقبة دورة حياة المدن في المجرات القديمة

يصمم العلماء محاكاة “آلة الزمن” لدراسة دورة حياة المدن في مجرات الأسلاف.

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

تتمثل إحدى طرق علماء الفيزياء الفلكية في التعامل مع هذا في النظر إلى أجسام مختلفة لمقارنتها في مراحل مختلفة من التطور. يمكنهم أيضًا النظر إلى الأشياء البعيدة للنظر بشكل فعال إلى الوراء في الوقت المناسب ، نظرًا للوقت الذي يستغرقه الضوء للوصول إلى تلسكوباتنا. على سبيل المثال ، إذا نظرنا إلى جسم 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 اليوم. 2 يونيو 2022 في المراجعة علم الفلك الطبيعي.

تعتبر عمليات المحاكاة الكونية ضرورية لدراسة كيفية تكوّن 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.

قام فريق من الباحثين بقيادة معهد كافلي للفيزياء والرياضيات في مشروع الكون الباحث والمؤلف الأول ميتين آتا والبروفيسور المساعد للمشروع خي جان لي ، بدراسة الهياكل البعيدة مثل العناقيد المجرية الضخمة. الحالي. عناقيد المجرات قبل أن تتجمع معًا تحت تأثير جاذبيتها. وجدوا أن الدراسات الحالية للعناقيد الأولية البعيدة كانت في بعض الأحيان مبسطة بشكل مفرط ، مما يعني أنها أجريت باستخدام نماذج بسيطة وليس محاكاة.

تُظهر لقطات من المحاكاة (أعلى) توزيع المادة المقابل للتوزيع المرصود للمجرات في وقت سفر خفيف يبلغ 11 مليار سنة (عندما كان الكون 2 .76 مليار سنة فقط أو 20٪ من عمره الحالي) ، و ( bottom) توزع المادة في نفس المنطقة بعد 11 مليار سنة ضوئية أو ما يقابل وقتنا الحالي. 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 المجرات التي ترصدها التلسكوبات اليوم هي لقطة من الماضي.

وقال: “الأمر أشبه بالعثور على صورة قديمة بالأبيض والأسود لجدك وتصوير فيديو عن حياته”.

وبهذا المعنى ، أخذ الباحثون لقطات لمجرات أجداد “شابة” في الكون ثم تقدموا بعمرهم بسرعة لدراسة كيفية تشكل العناقيد المجرية.

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

كان الجزء الأصعب هو مراعاة البيئة الواسعة النطاق.

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

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

سبب آخر مهم أنشأه الباحثون لهذه المحاكاة هو اختبار النموذج القياسي لعلم الكونيات ، والذي يستخدم لوصف فيزياء الكون. من خلال التنبؤ بالكتلة النهائية وتوزيع الهياكل في مساحة معينة ، 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 مسبقًا وإزعاج بنية واحدة. بالإضافة إلى ذلك ، تمكنوا من تحديد خمسة هياكل أخرى تتشكل بانتظام في عمليات المحاكاة الخاصة بهم. يتضمن ذلك العنقود الفائق Hyperion proto supercluster ، وهو أكبر وأقدم عنقود فائق بروتو معروف اليوم ، والذي يبلغ حجمه 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