Աստղաֆիզիկոսները ստեղծել են վաղ Տիեզերքի ամենախոշոր և առավել մանրամասն համակարգչային մոդելներից մեկը։ Lumina սիմուլյացիան վերարտադրում է տիեզերական պատմության առաջին 2 միլիարդ տարին՝ թույլ տալով հետևել, թե ինչպես էին սովորական նյութի, մութ նյութի և ճառագայթման փոխազդեցությունները ազդում գալակտիկաների ձևավորման վրա։ Մոդելը կօգնի գիտնականներին ստուգել տիեզերքի զարգացման մասին տեսությունները և համադրել դրանց կանխատեսումները աստղադիտակների, այդ թվում՝ James Webb-ի դիտարկումների հետ։

Նախագիծը մշակել են Հարվարդի և Սմիթսոնյան կենտրոնի աստղաֆիզիկայի կենտրոնի (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian) հետազոտողները։ Աշխատանքի արդյունքները հրապարակվել են Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ամսագրում։

Lumina-ն նախատեսված է ոչ միայն հեռավոր անցյալի վիզուալիզացիայի համար։ Այն թույլ է տալիս հաշվարկել, թե ինչպես պետք է զարգանար Տիեզերքը՝ համաձայն ժամանակակից ֆիզիկական տեսությունների, իսկ հետո համեմատել մոդելավորման արդյունքները իրական աստղագիտական դիտարկումների հետ։ Եթե հայտնաբերվեն էական անհամապատասխանություններ, դա կարող է մատնանշել այնպիսի գործընթացներ, որոնք գործող մոդելները դեռևս հաշվի չեն առնում, հայտնում է sciencedaily.com-ը։

Ինչպիսի տեսք ուներ երիտասարդ Տիեզերքը

Մեծ պայթյունից հետո տիեզերքն աստիճանաբար սառչում էր, նյութը հավաքվում էր ձգողականության ազդեցությամբ, ձևավորվում էին առաջին աստղերն ու գալակտիկաները։ Դրանց ճառագայթումը փոխում էր շրջապատող գազի հատկությունները՝ աստիճանաբար փոխակերպելով Տիեզերքը։

Այս պատմությունը վերարտադրելն այնքան էլ հեշտ չէ. անհրաժեշտ է միաժամանակ հաշվի առնել գազի շարժումը, մութ նյութի ձգողական ազդեցությունը և ճառագայթման տարածումը։ Այս բոլոր գործընթացները փոխկապակցված են, իսկ դրանց մոդելավորումը մեծ մասշտաբներով պահանջում է հսկայական հաշվարկային ռեսուրսներ։

Lumina-ն հաշվարկում է սովորական նյութի, մութ նյութի և լույսի փոխազդեցությունը Մեծ պայթյունից հետո առաջին 2 միլիարդ տարվա ընթացքում։ Դրա շնորհիվ հետազոտողները կարող են ուսումնասիրել ոչ միայն առաջին գալակտիկաների առաջացումը, այլև այն, թե ինչպես էր դրանց զարգացումը ազդում դրանց միջև տարածությունը լցնող գազի վրա։

«James Webb աստղադիտակի շնորհիվ վաղ Տիեզերքը դարձել է աստղաֆիզիկայի նոր ու հրապուրիչ սահմանը։ Որպեսզի հասկանանք, թե ինչ ենք տեսնում այս աստղադիտակով, մեզ անհրաժեշտ է մեր տեսությունները վերածել մանրամասն կանխատեսումների», — ասում է հետազոտության գլխավոր հեղինակ Օլիվեր Ցիրը՝ Հարվարդի և Սմիթսոնյանի աստղաֆիզիկայի կենտրոնին կից Տեսության և հաշվարկների ինստիտուտի աշխատակիցը։

Նրա խոսքով՝ մի քանի տարվա աշխատանքից հետո թիմը վերջապես ստացել է արդյունքներ, որոնք կարելի է համադրել դիտարկումների հետ և ուսումնասիրել վիզուալիզացիաների տեսքով։

1,5 միլիարդ լուսատարի չափի Տիեզերք

Մասշտաբով Lumina-ն ավելի քան 100 անգամ գերազանցում է նախորդ համադրելի սիմուլյացիաներին։ Մոդելն ընդգրկում է տարածության մի խորանարդ, որի յուրաքանչյուր կողմի երկարությունը կազմում է մոտ 1,5 միլիարդ լուսատարի։

Միաժամանակ հետազոտողներին հաջողվել է պահպանել այն մանրամասնությունը, որն անհրաժեշտ է առանձին գալակտիկաների և այլ պայծառ օբյեկտների ուսումնասիրության համար։ Սա թույլ է տալիս միաժամանակ դիտարկել տիեզերքի խոշորամասշտաբ էվոլյուցիան և առանձին գալակտիկաների ներսում տեղի ունեցող գործընթացները։

Այսպիսի մոտեցումը հատկապես կարևոր է ժամանակակից աստղադիտակների դիտարկումների մեկնաբանման համար։ James Webb-ը հայտնաբերում է գալակտիկաներ, որոնք գոյություն են ունեցել Տիեզերքի պատմության վաղ փուլերում։ Որպեսզի հասկանան, թե ինչպես կարող էին ձևավորվել այս օբյեկտները և ինչու են օժտված հենց այսպիսի հատկություններով, աստղագետներին անհրաժեշտ են մոդելներ, որոնք կարող են վերարտադրել տիեզերական էվոլյուցիան համադրելի մասշտաբներով։

Հետագայում Lumina-ի արդյունքները հնարավոր կլինի համեմատել նաև Nancy Grace Roman տիեզերական աստղադիտակի տվյալների հետ, որը նախատեսված է Տիեզերքի լայնածավալ հետազոտությունների համար։

Ինչպես էին փոխվում ջրածինն ու հելիումը

Նախագծի գլխավոր ձեռքբերումներից մեկը հելիումի ռեիոնացման մոդելավորումն է։ Այս գործընթացի ընթացքում ճառագայթման ազդեցությամբ հելիումի ատոմներից դուրս են մղվում էլեկտրոնները՝ փոխելով միջգալակտիկական տարածության գազի վիճակը։

Ավելի վաղ հետազոտողների համար դժվար էր միաժամանակ վերարտադրել այս գործընթացը հսկայական տիեզերագիտական մասշտաբներով և պահպանել բավարար մանրամասնություն, որպեսզի հետևեն այն առաջացնող գալակտիկաներին և ճառագայթման այլ աղբյուրներին։

Lumina-ն թույլ է տալիս հետևել, թե ինչպես էին ջրածինն ու հելիումը անցնում ժամանակակից Տիեզերքին բնորոշ վիճակների, և ինչպես էր այս գործընթացը կախված գալակտիկաների ակտիվությունից։

«Առաջին անգամ մենք կարող ենք դիտարկել, թե ինչպես էին ջրածինն ու հելիումը անցնում իրենց ժամանակակից վիճակին այսքան հսկայական ծավալի Տիեզերքում՝ միաժամանակ պահպանելով գալակտիկաներն ու այլ լուսարձակող օբյեկտները տարբերակելու հնարավորությունը, որոնք առաջացրել էին այս փոփոխությունները», — նշում է հետազոտության համահեղինակ, Դալասի Տեխասի համալսարանի ֆիզիկայի դոցենտ Աարոն Սմիթը։

Ռեիոնացման ուսումնասիրությունն օգնում է հասկանալ, թե ինչպես էին աստղերի և գալակտիկաների առաջին սերունդների ճառագայթումները փոխակերպում շրջակա միջավայրը և ազդում տիեզերքի հետագա էվոլյուցիայի վրա։

15 հազար գրաֆիկական պրոցեսոր՝ մեկ սիմուլյացիայի համար

Lumina-ի ստեղծման համար հետազոտողները օգտագործել են ԱՄՆ Թենեսի նահանգի Օք-Ռիջ ազգային լաբորատորիայում տեղակայված Frontier սուպերհամակարգչի ավելի քան 15 000 գրաֆիկական պրոցեսոր։ Frontier-ը համարվում է աշխարհի ամենահզոր սուպերհամակարգիչներից մեկը։

Այսպիսի հաշվարկային հզորությունները թույլ են տվել մոդելավորել վաղ Տիեզերքի հսկայական հատված՝ չհրաժարվելով առանձին գալակտիկաների և այլ կառուցվածքների մանրամասնությունից։ Համակարգը հաշվարկել է, թե ինչպես է տարածվում ճառագայթումը, ինչպես է շարժվում գազը և ինչպես են ձևավորվում տիեզերական օբյեկտները ձգողականության ազդեցությամբ։

Ստացված մոդելը գիտնականներին հնարավորություն է տալիս ուսումնասիրել վաղ տիեզերական պատմության տարբեր կողմերը, այդ թվում՝ գալակտիկաների միջև գազի տեղաշարժը, ճառագայթման ազդեցությունը և հատկապես ինտենսիվ աստղագոյացմամբ շրջանների առաջացումը։

Ինչ կարող է սիմուլյացիան պատմել տիեզերքի գաղտնիքների մասին

Աշխատանքի հաջորդ փուլը Lumina-ի կանխատեսումները աստղագիտական դիտարկումների տվյալների հետ համեմատելն է։ Հետազոտողները հույս ունեն, որ մոդելը կօգնի հասկանալ James Webb-ի հայտնաբերած վաղ գալակտիկաների առանձնահատկությունները և ճշգրտել պատկերացումները այն գործընթացների մասին, որոնք ձևավորել են երիտասարդ Տիեզերքի կերպարը։

Եթե դիտարկումները անհամատեղելի լինեն սիմուլյացիայի արդյունքների հետ, գիտնականները ստիպված կլինեն պարզել, թե որն է պատճառը՝ ֆիզիկական մոդելների ոչ լիարժեքությունը, սկզբնական ենթադրությունների անճշտությունը, թե գործընթացները, որոնք դեռևս բավարար չափով ուսումնասիրված չեն։

Lumina-ն Մեծ պայթյունից հետո տեղի ունեցած յուրաքանչյուր իրադարձության ճշգրիտ վերակառուցում չէ։ Սա համակարգչային մոդել է, որը հիմնված է ֆիզիկական տեսությունների և հաշվարկային մոտարկումների վրա։ Դրա արժեքն այն է, որ այն թույլ է տալիս ստուգել այս տեսությունները տարածության հսկայական ծավալի վրա՝ միաժամանակ հաշվի առնելով բազմաթիվ փոխկապակցված գործընթացներ։

Որքան ճշգրիտ այսպիսի սիմուլյացիաները վերարտադրեն դիտարկվող Տիեզերքը, այնքան ավելի լավ աստղագետները կկարողանան բացատրել առաջին գալակտիկաների ծագումն ու այն պայմանները, որոնցում ձևավորվել են տիեզերքի հիմնական կառուցվածքները։