Το THESAN το μεγαλύτερο και πιο λεπτομερές υπολογιστικό μοντέλο των πρώτων δισεκατομμυρίων ετών του σύμπαντος που έχει κατασκευαστεί μέχρι σήμερα, δημιουργεί προσδοκίες για τις παρατηρήσεις από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA
Αρκετά μυστήρια καλύπτουν, ακόμα, τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του σύμπαντος, μια εποχή κατά την οποία ο κόσμος βγήκε από το σκοτάδι, με την αυγή των πρώτων αστεριών και γαλαξιών. Όμως, σήμερα διαθέτουμε το THESAN, το μεγαλύτερο και πιο λεπτομερές έως τώρα υπολογιστικό μοντέλο για αυτήν την περίοδο, να μας βοηθήσει να καταλάβουμε πώς εξελίχθηκε αυτό το νεαρό σύμπαν. Ονομάστηκε έτσι από την ετρουσκική θεά της αυγής και οι προβλέψεις του, σχετικά με το αρχέγονο παρελθόν, πρόκειται να εξακριβωθούν, σύντομα, από τα δεδομένα που θα μας δώσει το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA (JWST), το οποίο εκτοξεύτηκε πρόσφατα, και άλλα παρατηρητήρια επόμενης γενιάς.
Αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, το σύμπαν ήταν γεμάτο από μία κοσμική “ομίχλη”. Η θερμοκρασία, από την θερμότητα της δημιουργίας, ήταν ακόμα τόσο μεγάλη ώστε να μην μπορούν να σχηματιστούν άτομα από τα ηλεκτρόνια και τους πυρήνες (πρωτόνια νετρόνια), έτσι τον χώρο καταλάμβανε μία πυκνή σούπα πλάσματος (ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια και ιόντα) τα οποία σκέδαζαν το φως αντί να το εκπέμπουν. Αυτή η κοσμική ομίχλη “καθάρισε” κάπως περίπου 380.000 χρόνια αργότερα, όταν κατά τη λεγόμενη εποχή της επανασύνδεσης, το σύμπαν ψύχθηκε αρκετά ώστε να μπορούν να δημιουργηθούν τα άτομα, τα οποία σχημάτισαν οπτικώς διάφανα νέφη ουδέτερου υδρογόνου. Το φως από την λάμψη του Big Bang, απελευθερωμένο πλέον, κατέκλυσε τον χώρο. Το σύμπαν, όμως, στη συνέχεια βυθίστηκε ξανά στο σκοτάδι, καθώς τα αστέρια δεν είχαν ακόμα δημιουργηθεί.
Το σκοτάδι επικράτησε για τα επόμενα εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια έως ότου η βαρύτητα άρχισε να να χρησιμοποιεί την ύλη για να φτιάξει αστέρια και γαλαξίες. Όμως ακόμη και τότε, το σκοτάδι δεν εξαφανίστηκε άμεσα, αλλά σταδιακά, καθώς η έντονη υπεριώδης ακτινοβολία από τα πρώτα φωτεινά αντικείμενα του σύμπαντος επαναϊόνιζε το ουδέτερο υδρογόνο που τα περιέβαλε. Αυτή η εποχή του επαναϊονισμού διήρκεσε περισσότερο από μισό δισεκατομμύριο χρόνια, αλλά οι επιστήμονες γνωρίζουν ελάχιστα για αυτήν. Αυτό που ξέρουμε με βεβαιότητα είναι ότι το τέλος της σηματοδότησε την κοσμική στιγμή που το φως από ολόκληρο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα (αντί του τμήματος του που μπορούσε να διαπεράσει την “κουρτίνα” του ουδέτερου υδρογόνου) άρχισε να ταξιδεύει ελεύθερα στο διάστημα. Με απλά λόγια, αυτή ήταν η στιγμή που το σύμπαν έγινε επιτέλους διαυγές και -άρα- παρατηρήσιμο, συνθήκη που επιτρέπει στους σημερινούς αστρονόμους να προσπαθούν να μάθουν το πως διαδραματίστηκε η κοσμική αυγή.
Αυτό δεν σημαίνει ότι είναι εύκολη μια τέτοια έρευνα. Για να μπορέσουν να συλλάβουν αυτό το αρχέγονο φως, οι ερευνητές χρειάζονται τα μεγαλύτερα και τα πιο ευαίσθητα τηλεσκόπια, ώστε να μπορούν να αναζητήσουν αντικείμενα που βρίσκονται όσο το δυνατόν πιο μακριά. Και αυτό, γιατί όσο πιο μακρινό ένα αντικείμενο τόσο περισσότερο χρειάζεται το φως του να φτάσει σε εμάς και, άρα, τόσο πίσω στο παρελθόν κοιτάζουμε. Παράλληλα, όμως, όσο πιο μακριά είναι ένα αντικείμενο, τόσο πιο ασθενές το φως του που φτάνει στη Γη.
Κοσμική αυγή μέσω υπολογιστή
Βέβαια, ένας άλλος τρόπος για να μπορέσουμε να “δούμε” κάποιες πτυχές αυτής της περασμένης εποχής είναι να την προσομοιώσουμε μέσω υπολογιστή. «Ήταν σχετικά εύκολο να αναπαραστήσουμε τα πρώτα στάδια του επαναϊονισμού, επειδή το σύμπαν ήταν τότε σχετικά σκοτεινό και μονότονο», εξηγεί ο Aaron Smith, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης που βοήθησε στην ανάπτυξη του THESAN. «Ωστόσο, καθώς η πρωτογενής ύλη χωρίζεται σε γαλαξίες και αστέρια, γίνεται όλο και πιο δύσκολο να μοντελοποιηθούν οι περίπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ της βαρύτητας, του φωτός, του αερίου και της σκόνης.»
«Επειδή η μοντελοποίηση του φωτός είναι αρκετά περίπλοκη, υπάρχουν ελάχιστες μόνο κοσμολογικές προσομοιώσεις που επικεντρώνονται στη μελέτη αυτής της εποχής», λέει ο αστροφυσικός Rahul Kannan του Κέντρου Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν, το οποίο βοήθησε στην ανάπτυξη του THESAN. «Κάθε μία από αυτές τις κοσμολογικές προσομοιώσεις έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της.»
Το THESAN σχεδιάστηκε για να μοντελοποιήσει, σε πρωτόγνωρο βαθμό, το πρώιμο σύμπαν. Ορισμένες κοσμολογικές προσομοιώσεις όπως η Space Dawn (CoDa) και η Cosmic Reionization on Computers (CROC) προσομοίωσαν μεγάλους όγκους σε σχετικά χαμηλή ανάλυση, ενώ άλλες, όπως οι Renaissance και SPHINX, ήταν πιο λεπτομερείς αλλά δεν κάλύπταν μεγάλες αποστάσεις. Αντίθετα, το THESAN «συνδυάζει υψηλή ανάλυση και μεγάλους προσομοιωμένους όγκους», λέει ο Canan.
Συνήθως υπάρχει ένας συμβιβασμός ανάμεσα στην μελέτη του σχηματισμού γαλαξιών και σε αυτήν του επαναϊονισμού του διαστήματος, αλλά το THESAN μπορεί να κάνει και τα δύο. Οι προγραμματιστές του το “έχτισαν” πάνω σε μια παλιαιότερη σειρά προσομοιώσεων που ονομάζεται Illustris-TNG, η οποία προσομοιώνει με ακρίβεια πολλές ιδιότητες και πληθυσμούς εξελισσόμενων γαλαξιών. Στη συνέχεια ανέπτυξαν έναν νέο αλγόριθμο για την προσομοίωση του τρόπου με τον οποίο το φως των αστεριών και των γαλαξιών αλληλεπιδρούσε και επαναϊόνιζε το αέριο που τα περιέβαλε, κατά την διάρκεια των πρώτων δισεκατομμυρίων ετών του σύμπαντος, λεπτομέρειες δηλαδή που οι προηγούμενες προσομοιώσεις δεν είχαν ενσωματώσει με επιτυχία σε μεγάλη κλίμακα. Τέλος, η ομάδα THESAN συμπεριέλαβε ένα μοντέλο για το πώς η διαστημική σκόνη στο πρώιμο σύμπαν θα μπορούσε να έχει επηρεάσει τον σχηματισμό των γαλαξιών. «Έχουν συνδυάσει τα δύο πιο σύγχρονα μοντέλα και έχουν προσθέσει λίγο περισσότερα – φαίνεται πολύ ενδιαφέρον», λέει η Risa Wechsler, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.
Μεγαλώνοντας την κλίμακα
Το THESAN έχει την δυνατότητα να παρακολουθεί τη γέννηση και την εξέλιξη εκατοντάδων χιλιάδων γαλαξιών σε όγκο με ακμή που αντιστοιχεί σε περισσότερα 300 εκατομμύρια έτη φωτός. Ξεκινώντας περίπου 400.000 χρόνια μετά το Big Bang -πριν από την εποχή που θεωρούμε πως εμφανίστηκαν τα πρώτα αστέρια- η προσομοίωση υπολογίζει τις συνθήκες που επικρατούσαν κατά την διάρκεια των πρώτων δισεκατομμυρίων ετών της ιστορίας του σύμπαντος. Για να τα επιτύχει όλα αυτά, το THESAN “τρέχει” σε έναν από τους μεγαλύτερους υπερυπολογιστές στον κόσμο, τον SuperMUC-NG, οι 60.000 πυρήνες του οποίου χρησιμοποιήθκαν για να εκτελεστούν υπολογισμοί προσομοίωσης που αντιστοιχούν σε περισσότερες από 30 εκατομμύρια ώρες λειτουργίας κεντρικής μονάδας επεξεργασίας (CPU). Για να κατανοήσουμε το μέγεθος των υπολογισμών, η ίδια εργασία θα απαιτούσε 3.500 χρόνια διαρκούς επεξεργασίας σε έναν από τους οικείους, σε εμάς, υπολογιστή.
«Ένα από τα πιο συναρπαστικά πράγματα όσον αφορά στο THESAN, είναι η υψηλή ανάλυση», λέει ο αστροφυσικός Brian Welch του Πανεπιστημίου Johns Hopkins. «Βλέπουμε ότι μπορούν να συνδέσουν τις δομές μικρής κλίμακας μέσα στους γαλαξίες, οι οποίες δημιουργούν ιονίζοντα φωτόνια, με το μεγαλύτερης κλίμακας μεσογαλαξιακό χώρο, όπου τα φωτόνια αυτά δημιουργούν την εποχή του επαναϊονισμού. Οι προσομοιώσεις μπορούν, στη συνέχεια, να βοηθήσουν στον προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο τα ιονίζοντα φωτόνια διαφεύγουν από τους γαλαξίες και επομένως το πώς αυτοί οι γαλαξίες κινούν την διαδικασία του επαναϊονισμού.»
Χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, ο Welch και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν πρόσφατα το πιο μακρινό μονήρες αστέρι που έχει ανιχνευθεί έως σήμερα, το οποίο ονομάζεται Earendel, και δημιουργήθηκε όταν το σύμπαν ήταν μόλις 900 εκατομμυρίων ετών. Αν και το THESAN δεν μπορεί να προσομοιώσει μεμονωμένα αστέρια όπως το Earendel «καθώς αυτό θα απαιτούσε υπερβολική υπολογιστική ισχύ», μπορεί ωστόσο να ρίξει φως στις συνθήκες που επικρατούσαν στους γαλαξίες μέσα στους οποίους σχηματιζόταν το Earendel.
Οι ερευνητές δηλώνουν πως το THESAN έχει ήδη δώσει προβλέψεις για το πρώιμο σύμπαν. Για παράδειγμα, υπολογίζει ότι η απόσταση που διήνυσε το φως αυξήθηκε κοντά στο τέλος του επαναϊονισμού πιο δραματικά από ό,τι πιστεύαμε μέχτι τώρα -περίπου το 10πλάσιο, σε διάστημα μερικών εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών- διαφορά που πιθανότατα οφείλεται στο ότι οι πυκνοί θύλακες αερίου, που χρειάστηκαν περισσότερο χρόνο για να ιονιστούν, είχαν παραλειφθεί από τις προηγούμενες, χαμηλότερης ανάλυσης, προσομοιώσεις.
Ένα μειονέκτημα του THESAN, ωστόσο, είναι ότι χρησιμοποιεί ένα σχετικά απλοϊκό μοντέλο για το ψυχρό πυκνό αέριο των γαλαξιών, λέει ο Kannan. Η ομάδα THESAN εργάζεται σε ένα πρότζεκτ που ονομάζεται THESAN-ZOOMS για να αντικαταστήσει αυτό το μοντέλο «με ένα πολύ πιο εξελιγμένο που λαμβάνει υπόψη πολλές πρόσθετες φυσικές διεργασίες που επηρεάζουν τις ιδιότητες αυτού του πυκνού αερίου», σημειώνει.
Ένα άλλο μειονέκτημα του THESAN είναι ότι ο όγκος που προσομοιώνει είναι πολύ μικρός για να εντοπίσει τις ουσιαστικές λεπτομέρειες για το πώς εξελίχθηκε το πρώιμο σύμπαν, όπως το μέγεθος και ο αριθμός των θυλάκων ιονισμένου διαφανούς αερίου, λέει ο Kannan. Οι επιστήμονες σχεδιάζουν να αυξήσουν την κλίμακα της προσομοίωσης σε έναν όγκο 64 φορές μεγαλύτερο.
Προσδοκίες εναντίον πραγματικότητας
Το αν υπάρχει σημαντική διαφορά στις προβλέψεις του THESAN, λόγω των μειονεκτημάτων αυτών, πρόκειται να αποκαλυφθεί σύντομα από τις παρατηρήσεις του JWST, το οποίο έχει σχεδιαστεί για να παρατηρεί τα πρώτα αστέρια και γαλαξίες. Θα ταιριάζουν, άραγε, τα αστέρια και οι γαλαξίες του εικονικού κόσμου του THESAN με τους πληθυσμούς των αρχαίων αντικειμένων όπως αυτά θα φανούν μέσα από τα οπτικά συστήματα του JWST; Οι ερευνητές είναι πρόθυμοι να το ανακαλύψουν. Τα μοντέλα των αμυδρών γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν είναι πολύ ευαίσθητα σε αβεβαιότητες φαινομένων όπως ο σχηματισμός άστρων. Οι προσομοιώσεις που μπορούν να μοντελοποιήσουν με επιτυχία γνωστούς γαλαξίες «μπορει να δώσουν αποκλίνουσες προβλέψεις για τους αμυδρούς πληθυσμούς. Το JWST θα ανιχνεύσει αυτούς τους γαλαξίες, για πρώτη φορά, και θα καθορίσει τους περιορισμούς στη φυσική που διέπει τον σχηματισμό αυτών των γαλαξιών», λέει ο Aaron Yung, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Goddard Space Flight Center της NASA, ο οποίος δεν εργάζεται στο THESAN.
Μέχρι το τέλος του έτους, το JWST θα έχει συλλέξει αρκετά δεδομένα ώστε να εξακριβώσει την εγκυρότητα των προβλέψεων του THESAN όσον αφορά τις ιδιοτήτων των γαλαξιών, λέει ο Smith. «Εργαζόμαστε ήδη με αστρονόμους του JWST για να ερμηνεύσουμε τα δεδομένα που θα είναι διαθέσιμα φέτος».
Κανείς δεν περιμένει από το THESAN ή από οποιαδήποτε άλλη προσομοίωση της εποχής του επαναϊονισμού να τα κάνει όλα σωστά. «Από τις περισσότερες, αν όχι από όλες, τις προσομοιώσεις που έγιναν για αυτήν την εποχή λείπουν κάποια κομμάτια φυσικής –παρόλο που το THESAN είναι αρκετά υψηλής ανάλυσης, εξακολουθεί να διαθέτει χαμηλή ανάλυση, σε σύγκριση με τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην πραγματικότητα», λέει η Wechsler. «Η πρόοδος συμβαίνει όταν τα δεδομένα από τα παρατηρητήρια και τα αποτελεματα από τις προσομοιώσεις ταιριάζουν αρμονικά. Αυτή η αλληλεπίδραση είναι που το κάνει συναρπαστικό.»
Τελικά, θα χρειαστούμε περισσότερα, πέρα από το JWST, για να επιβεβαιώσουμε ποιά είναι η πλήρης εικόνα της κοσμικής εξέλιξης στο πρώιμο σύμπαν. Για να κατανοήσουμε τις διάφορες πτυχές αυτής της εποχής χρειαζόμαστε μια ποικιλία από όργανα που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος. Αυτά περιλαμβάνουν το Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), το Square Kilometer Array (SKA), το Fred Young Submillimeter Telescope (FYST), το Spectro-Photometer for the History of the Universe, το Epoch of Reionization and Ices Explorer (SPHEREx), και το επόμενο εμβληματικό παρατηρητήριο της NASA, to Nancy Grace Roman Space Telescope. Φιλόδοξα μοντέλα υπολογιστών όπως το THESAN μπορεί τελικά να βοηθήσουν τους επιστήμονες να βγάλουν άκρη από τον τεράστιο όγκο δεδομένων που θα παράσχουν αυτά τα πρότζεκτ.
«Στόχος του THESAN είναι να κάνει προβλέψεις για όσες το δυνατόν περισσότερες από αυτές τις παρατηρήσεις», σημειώνει ο Smith. «Οι αποκλίσεις από τα δεδομένα είναι, αρκετές φορές, εξίσου συναρπαστικές γιατί αυτό μας λέει ότι τα μοντέλα υπολείπονται, αναγκάζοντάς μας έτσι να επανεξετάσουμε τη φυσική πίσω από αυτές τις πολύπλοκες διαδικασίες.»
Πηγή: https://northcarolinatime.com/
