קוסמוס וירטואלי מראשית ההיסטוריה: המודל המשמעותי ביותר שנוצר היום
אסטרונומים הצליחו לבנות את ההדמיה הגדולה ביותר מסוגה של היקום במהלך שני מיליארד השנים הראשונות לאחר המפץ הגדול, גוף וירטואלי בצורת קובייה שאורכה כ-1.5 מיליארד שנות אור בכל צד, שמלווה את ההיסטוריה של חומר, חומר אפל והקרינה יחד. המודל, הקרוי לומינה, מציע קנה מידה עצום יותר מפי מאה מהדמיות קודמות דומות, ומהווה את הפעם הראשונה שמודלים מתקדמים מסוג זה עוקבים גם אחר תהליך הייריוניזציה של מימן והליום בשפה אחת, תוך מעקב אחר התהליך שמת unfolding, לפי המרכז לאסטרופיזיקה של הרווארד וסמיתסוניאן.
המחקר, שמתואר ב"מנוחות התדיר של החברה המלכותית לאסטרונומיה", רץ על המחשב העל "פרונטיר" במעבדה הלאומית באוק רידג' בטנסי, שנחשב לאחד המחשבים החזקים בעולם. בשיאו, החישוב השתמש בכמעט 15,000 מעבדי גרפיקה וכמות של למעלה מ-100,000 ליבות מחשב, שמחוונות לפתרון חישובים עצומים מוקדם ומורכב.
העובדה החשובה היא שהמחקר התבצע בזמן שבו טלסקופ החלל ג'יימס ווב ממשיך לגלות גלקסיות מוקדמות שנראות בהירות ממה שמדענים רבים ציפו. היקף ההדמיה העצום של לומינה מאפשר לקבוצות החוקרים להשוות מול התצפיות הללו עשרות מיליארדי גלקסיות וירטואליות, מה שעשוי לעזור להבהיר האם הגלקסיות הבהירות האלה תואמות את התיאוריה הסטנדרטית, או שמא מדובר בתמונת מצב שונה לחלוטין.
קוסמוס וירטואלי מראשית הימים האפלים ועד היום
ההדמיה מתחילה בערך 45 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול, בתקופה חשוכה לפני היווצרות הכוכבים הראשונים, וממשיכה עד שני מיליארד השנים הראשונים ליקום. היא עוקבת אחר כ- חצי טריליון פריטים, כולל חלקיקי חומר אפל ותאי גז, ובעומק של בערך פי 30 ממה שמסוגלת הדמיה מפורסמת כמו IllustrisTNG, שממנה שאבה את ההשראה, לפי דיווח מ-MIT News. גבול המערכת מתואר כגודלו כ-500 מגה-פרסק, בערך 1.6 מיליארד שנות אור.
המימדיות של הטווח הזה היא המהות, מסביר פרופסור מארק הופלסבריקר מהמרכז לאסטרופיזיקה, שהחיווה כי הקבוצה יכולה לעקוב אחר היווצרות של גלקסיות נפרדות שמאגדות כוכבים, תוך מעקב אחר השינויים ברצועת הקרינה הכוללת של המרחב הגדול. למעשה, כל זאת נעשה תוך כדי צופים בשינויים בטבעה ותולדותיה של החומר בגבול הקובייה, ומאפשר תובנות חשובות על תהליך היווצרות הגלקסיות.
המוביל של הפרויקט, אוליבר זיר, המתמחה במרכז לאסטרופיזיקה, קישר את מחקרו ישירות לתוכניות של טלסקופ ווב. הוא אמר שהסימולציה נועדה לבדוק תרחישים תיאורטיים ולהעביר ביקורת על ההשערות שמהווים את תשתית הידע שלנו על היקום.
הייריוניזציה של מימן והליום: תהליך בשני מסלולים
הייריוניזציה—תהליך שבו קרינה מגרסאות ראשוניות של מערכות שמימיות הסירה אלקטרונים מגרעיני האטומים—הוא שלב קריטי בהתפתחות היקום. בשלב זה, המימן הראשון והליום זכו להיפטר מהאלקטרונים שלהם, תהליך שהחל עם קרינת קרני הרקע שהחלה להתפשט עם התקררות היקום. ההבדל המרכזי הוא שמימן הייריוניזציה ראשון, והליום, שדורש קרינה אנרגטית יותר, זכה לתהליך בעצמו.
לומינה היא ההדמיה הראשונה מסוגה שמזהה את תהליך ההייריוניזציה של הליום תוך כדי מעקב אחר ההשפעות שלו על הגז הסובב. במחקר, אור שנפלט מידי גלקסיות וכוכבים ראשוניים יצר את ההייריוניזציה של המימן, בעוד שההייריוניזציה של הליום תוזנה בעיקר על ידי חורים שחורים ענקיים בשלבים פעילים של אכילת חומרים, לפי דיווח MIT. תיאור זה תואם באופן מיטבי את התיאוריות המודרניות, ועתה לומינה מספקת גרסה מפורטת לבדיקה.
ויזואליות מרהיבה ומשימה מדעית קריטית
הקבוצה פרסמה דימויים ואנימציות שממחישות את תהליך ההייריוניזציה. תמונה אחת מציגה אזור שנמתח על פני כ-650 מיליון שנות אור, עם סיבים דקים שמסמנים את הרשת של חומר אפל, ועם גוונים חמים של כתום וצהוב שמסמנים את מקומות שבהם הגז נע במהירות בין מערכות גלקטיות.
ההכרזות האחרות כוללות תצלום לוחות זמנים של התפתחות בועות ההייריוניזציה לאורך שני מיליארד השנים, תצוגה תלת-ממדית של הילה ענקית, וזום ממדווח על כל המרחב אל גלקסיה בודדת בצורת דיסק. הויזואליות אינה סתם תצוגה אסתטית, אלא כלי שממחיש את מיקומי התחלות ההייריוניזציה ואת תנועות הגז בין הגלקסיות, כך שהאסטרונומים יוכלו להשוות את המפה הטלסקופית עם התמונה הווירטואלית.
גודל כמשנה משחק: התמודדות עם גלקסיות נדירות
ההיקף של הווירטואליה מגדיר את ההבדל המרכזי שלה ביחס לתצפיות עתידיות, בעיקר בטלסקופ ווב. הגלקסיות המוקדמות בהירות במיוחד הן נדירות, וקטן של קופסא מדומה עלול להכיל מעט מאוד או אפילו לא כלום, מה שמקשה להבחין בין תיאוריה שמגיעה עד קצה גבול היכולת או תוצאה של מדגם קטן מדי. לעומת זאת, קופסא בגודל של כ-100 פעם גדול יותר מאפשרת לאתר הרבה יותר גלקסיות, ולשפר את היכולת לבצע השוואות.
חבר צוות מ-MIT, קסו ג’יאן שנ, מציין כי גודלה של הסימולציה מהווה יתרון מרכזי מכיוון שהיא מייצרת אוסף עצום של גלקסיות שאפשר להשוות מול סקרים עתידיים שמיועדים למפות את השמיים, כולל אלו שמתוכננים עם ווב ומחשבי קצה עתידיים כמו טלסקופ רומן של נאס“א שנועד למפות שטחים נרחבים בשמיים.
האם הגלקסיות הבורחות של היקום הצעיר באמת מרהיבות יותר ממה שחשבנו?
מאז 2022, טלסקופ ווב גילה גלקסיות שבראשית חייהן נראות בהירות יותר ממה שהמודלים התיאורטיים ציפו, וזה זוכה לעניין רב. חלק מהמחקרים הסבירו שהן עלולות להיות יותר כבידות ממה שמערכות הקוסמולוגיה הקלאסיות מניחות, דבר שהביא לדיון נרחב.
יש צוותים שהציעו הסברים נוספים שאינם כוללים חוקים חדשים של הפיזיקה. מחקר משנת 2023 מאוניברסיטת נורת’ווסטרן מצא כי תנועות שפע של כוכבים באצת "התפרצויות", שמתחילות בברק ממושך ולאחר מכן שקט, יכולות להסביר את ההילה הרצינית של גלקסיות קטנות שזוהרות באופן מפתיע. האסטרונום קלוד-אנדרה פושייה-גיגר סיכם את התעלומה בפשטות בפני המגזין Astronomy.
לומינה עדיין לא הושוותה באופן ישיר לתצפיות של ווב, ולכן אינה מקנה מענה סופי לשאלה הזאת. התנאים שהוגדרו לה היו תיאורטיים, ולא תוצאות חישוב מבוססות מדידה. ההכרזה על היותה הגדולה מסוגה מגיעה מקבוצה המחקר, והערך המרכזי שלה הוא בכלי לבדיקה תיאורטית — כדי לבדוק האם גלקסיות רבות וגדולות מופיעות באופן טבעי, ומי יודע, אולי גם הגלקסיות בהירות מאוד במרחב הווירטואלי יגיעו לתצפיות.
עבור מורי שביל החלב ואוהבי המדע, אין כרגע צורך בפעולה, אך התמונה התיאורטית שהמודל מציג משפיעה על עתיד מחקרי הטלסקופים. הקבוצה מתכננת להשוות בין לומינה לתוצאות של ווב וסקרים עתידיים, למפות את המבנה הגדול שהתחילEARLY, ולחזות תצוגות של גלי כבידה שמקורן בתהליכים המוקדמים של היווצרות גלקסיות וחורים שחורים.
העיקר הוא שהאסטרונומים מחזיקים בידי את היקום הווירטואלי הכי מפורט שיצרו עד כה, והבדיקה הפעם תהיה אם גלקסיות המאירות במיוחד שנראו באמצעות ווב אכן יופיעו גם בו, מבלי לשנות את החוקים הידועים.
