اقترب فريق دولي من العلماء من كشف أسرار المراحل الأولى لنشأة الكون، عبر محاكاة حاسوبية ضخمة تعيد بناء أول ملياري سنة من تاريخه، وتوضح كيف انتقل من فضاء معتم تملؤه سحب الغاز إلى عالم قادر على تمرير الضوء وانتشاره.
وأطلق الباحثون على المشروع اسم «لومينا» (Lumina)، ونشروا نتائجه في دورية «الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية»، بإشراف مركز هارفارد وسميثسونيان للفيزياء الفلكية.
وتتتبع المحاكاة تطور الغاز والمادة العادية والمادة المظلمة والإشعاع، بدءاً من نحو 45 مليون سنة بعد الانفجار العظيم، بهدف فهم كيفية تشكل النجوم والمجرات الأولى، والدور الذي لعبته في تغيير طبيعة الكون.
وأظهرت النتائج أن النجوم والمجرات الأولى أسهمت في إزالة العتامة الكونية عبر عملية «إعادة التأين»، التي حررت الإلكترونات من ذرات الهيدروجين، ما قلل قدرة الغاز المنتشر بين المجرات على امتصاص الضوء. كما كشفت المحاكاة عن دور مهم للثقوب السوداء فائقة الكتلة في إعادة تأين الهيليوم، الذي يتطلب إشعاعاً أعلى طاقة.
ولتنفيذ المشروع، استخدم العلماء الحاسوب العملاق «فرونتير» في مختبر أوك ريدج الوطني بالولايات المتحدة، مستعينين بنحو 15 ألف معالج رسومي وأكثر من 100 ألف نواة معالجة مركزية. وتعالج المحاكاة قرابة نصف تريليون عنصر حسابي، في نموذج يتجاوز حجمه المحاكاة المماثلة السابقة بأكثر من 100 مرة.
وتعود هذه المرحلة إلى ما بعد الانفجار العظيم، حين برد الكون بما يكفي لتتشكل ذرات الهيدروجين المتعادل، لتبدأ فترة تُعرف باسم «العصور المظلمة»، قبل أن تجذب المادة المظلمة الغاز إلى مناطق كثيفة تتشكل فيها النجوم والمجرات الأولى.
وقال الباحث الرئيسي أوليفر زير إن رصد تلسكوب «جيمس ويب» للكون المبكر فتح آفاقاً جديدة أمام العلماء، لكن تفسير هذه المشاهدات يتطلب نماذج دقيقة تحول النظريات إلى تنبؤات قابلة للاختبار.
An international team of scientists has come closer to uncovering the secrets of the early stages of the universe’s formation through a massive computer simulation that reconstructs the first two billion years of its history, illustrating how it transitioned from a dark space filled with gas clouds to a world capable of transmitting and spreading light.
The researchers named the project “Lumina” and published its results in the journal “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,” under the supervision of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
The simulation tracks the evolution of gas, ordinary matter, dark matter, and radiation, starting from about 45 million years after the Big Bang, with the aim of understanding how the first stars and galaxies formed and the role they played in changing the nature of the universe.
The results showed that the first stars and galaxies contributed to removing cosmic opacity through a process called “reionization,” which freed electrons from hydrogen atoms, reducing the ability of the gas spread between galaxies to absorb light. The simulation also revealed an important role for supermassive black holes in reionizing helium, which requires higher-energy radiation.
To carry out the project, the scientists used the supercomputer “Frontier” at the Oak Ridge National Laboratory in the United States, utilizing about 15,000 graphics processors and more than 100,000 central processing cores. The simulation processes nearly half a trillion computational elements, in a model that exceeds the size of previous similar simulations by more than 100 times.
This phase dates back to after the Big Bang, when the universe cooled enough for neutral hydrogen atoms to form, initiating a period known as the “dark ages,” before dark matter attracted gas into dense regions where the first stars and galaxies formed.
Lead researcher Oliver Zhir stated that the James Webb Telescope’s observations of the early universe have opened new horizons for scientists, but interpreting these observations requires precise models that transform theories into testable predictions.
