رحلة إعادة تأيّن الهيدروجين والهيليوم في الكون الفتي

ما الذي حدث للغاز الذي ملأ الفضاء بين المجرّات في الكون الفتيّ؟ يقدّم فريق من مركز هارفارد وسميثسونيان للفيزياء الفلكية (CfA) جواباً جديداً عبر محاكاة حاسوبية ضخمة باسم Lumina، تتتبّع إعادة تأيّن الهيدروجين والهيليوم معاً داخل مكعّب كوني طول ضلعه 500 ميغاپارسك. وتشير نتائجها إلى أن إعادة تأيّن الهيليوم تبدأ عند الانزياح نحو الأحمر z ≈ 6 وتقترب من الاكتمال عند z = 3، أي في مرحلة يصعب على الرصد وحده أن يرسم تفاصيلها.

نُشر العمل في دورية «الإشعارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية» (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) تحت عنوان «Introducing the lumina project: large-volume radiation-hydrodynamic simulations of the epochs of hydrogen and helium reionization». وهو دراسة نظرية قائمة على المحاكاة لا على الرصد المباشر، وقد قاد كتابتها أوليفر زاير (Oliver Zier)، الزميل في معهد النظرية والحوسبة (Institute for Theory and Computation) التابع للمركز. ويمكن الاطلاع على الورقة البحثية الكاملة.

ما الذي تحاكيه Lumina بالضبط؟

تتبع Lumina، وهي محاكاة هيدروديناميكية إشعاعية واسعة الحجم، تطوّر الوسط بين المجرّات والمجرات والنوى المجرية النشطة (AGNs) معاً، عبر مراحل إعادة تأيّن H i وHe i وHe ii، نزولاً إلى الانزياح الأحمر z = 3. وهذا الانزياح يوافق زمن رجوع يبلغ نحو 11.7 مليار سنة، أي أن الكون كان حينها بعمر 2.1 مليار سنة تقريباً بعد الانفجار العظيم.

ويصف مؤلفو الدراسة الإشكالية التي تعالجها بقولهم: «ما زال فهم الكيفية التي تدفع بها المجرّات والنوى المجرية النشطة معاً إعادة تأيّن الوسط بين المجرّي عبر الزمن الكوني يمثّل تحدياً كبيراً في علم الكونيات». ويضيفون في وصف المشروع: «نقدّم Lumina، وهي محاكاة هيدروديناميكية إشعاعية واسعة الحجم تتتبّع بصورة متّسقة ذاتياً التطوّر المترابط للوسط بين المجرّي والمجرّات والنوى المجرية النشطة عبر إعادة تأيّن H i وHe i وHe ii نزولاً إلى الانزياح الأحمر z = 3».

يقول الباحثون إن مجموعة المجرّات في Lumina تبقى متّسقة مع مشروع IllustrisTNG الأصلي. وفي الوقت نفسه يحسّن الحجم الأكبر الإحصاءات الخاصة بالأجرام النادرة والبيئات واسعة النطاق والتباين الكوني. وبحسب ما كتبوه، فإن ذلك يتيح «النمذجة الأمامية للمقادير القابلة للرصد التي تربط طوبولوجيا H i وHe ii بالمجرّات والنوى المجرية النشطة المتطوّرة».

كم هو كبير هذا الكون الافتراضي؟

يبلغ طول ضلع مكعّب Lumina 500 ميغاپارسك، وهي مسافات مرافقة (Co-moving) بحسب المصدر. وهذا يعادل نحو 1.5 مليار سنة ضوئية في كل اتجاه، وهو حجم يقارب المدى الذي ترصده أقوى التلسكوبات. أما أكبر عمليات المحاكاة في IllustrisTNG، وهي TNG 300، فكان ضلع صندوقها نحو 3.3 ميغاپارسك وفق المصدر.

وتتطلب هذه السعة عتاداً استثنائياً. فـLumina تعمل على أكثر من 15,000 وحدة معالجة رسومية على حاسوب Frontier العملاق في مختبر أوك ريدج الوطني (Oak Ridge National Laboratory). ويحتل Frontier المرتبة الثالثة عالمياً من حيث السرعة، بعد El Capitan وجهاز Line Shine.

ولا يقتصر التحدي على اتساع المكعّب. يقول المؤلفون: «تمثّل نمذجة إعادة تأيّن He ii تحديات حسابية كبيرة». ويشرحون: «للوصول إلى z = 3، يجب أن تتطوّر المحاكاة قرابة مليار سنة إضافية بعد انتهاء إعادة تأيّن H i، وخلالها يزداد تكتّل توزّع المادة». ولهذا تُعدّ هذه المرحلة المتأخرة من أصعب أجزاء المشروع حسابياً.

لماذا تأخّر الهيليوم عن الهيدروجين؟

الهيدروجين أوفر عناصر الكون، وقد حظيت إعادة تأيّنه بدراسات مكثفة. أما إعادة تأيّن الهيليوم، التي تُعدّ عموماً آخر انتقال طوري في الوسط بين المجرّات، فنالت اهتماماً أقل. ومع أن الهيليوم شكّل نحو 25% من هذا الوسط، فإن فيزياءه مختلفة.

Loading image...

فإعادة تأيّن الهيدروجين دفعتها في الأساس فوتونات فوق بنفسجية منخفضة الطاقة نسبياً، صدرت عن مجرّات قزمة تكوّن النجوم. لكن هذه الفوتونات لم تكن تملك طاقة كافية لتأيين الهيليوم، فاحتاج الأمر إلى عدد كبير من الكوازارات والنوى المجرية النشطة شديدة التوهّج. وبلغت هذه الأجرام ذروتها في ما يسمّيه الفلكيون «الظهيرة الكونية» (Cosmic Noon)، حين بلغ تكوّن النجوم أقصاه وكانت الكوازارات في أنشط حالاتها.

هذا ما تعيد Lumina إنتاجه. يلخّص المؤلفون النتيجة: «تبدأ إعادة تأيّن He ii عند z ≈ 6 ويقودها حقل الإشعاع الصلب الصادر عن النوى المجرية النشطة. ونجد نقطة منتصف عند z ≈ 4 واقتراباً من الاكتمال بحلول z = 3، مع كسر ملء حجمي متبقٍّ لـHe ii أقل من 1 في المئة، بما يتّفق مع القيود الرصدية الراهنة». ويرون أن هذا «يبيّن أن Lumina قادرة على تتبّع بداية إعادة تأيّن الهيليوم وطوبولوجيتها واكتمالها، بصورة متّسقة ذاتياً، إلى جانب إعادة تأيّن الهيدروجين».

والتوافق مع الرصد هنا يعني أن النموذج لا يتعارض مع ما هو معروف حتى الآن. وقد وصفت الدراسة نتائجها الأولى بشأن He ii بأنها مطابقة للرصد، ولا يعني ذلك أنها حسمت كل الأسئلة المفتوحة.

ما علاقة ذلك بتلسكوب JWST؟

تقول الدراسة إن رصد تلسكوب جيمس ويب (JWST) يدفع جهوداً متجددة لفهم إعادة التأيّن. ويعمل التلسكوب منذ بضع سنوات وقد حمل مفاجآت. وهو مع تلسكوب نانسي غريس رومان الفضائي (NGRST) أقدر مرصدين فضائيين قائمين، وكلاهما يملك قدرات في الأشعة تحت الحمراء تناسب دراسة فجر الكون. أما NGRST فقد أُطلق قبل شهرين من نشر الخبر، ولم تبدأ مهمته بعد.

يقول زاير: «مع JWST صار الكون المبكر حدوداً جديدة ومثيرة في الفيزياء الفلكية». ويضيف: «لفهم ما نراه بهذا التلسكوب، علينا أن نترجم نظرياتنا إلى تنبؤات تفصيلية». وهنا يتجلى دور المحاكاة، إذ تحوّل النظرية إلى أرقام يمكن مقارنتها بالصور والأطياف.

ويصف زاير مسار العمل بقوله: «بعد سنوات عدة من العمل، مع كثير من الصعود والهبوط، من المجزي حقاً أن نرى نتائج المحاكاة ونشاهد تنبؤاتنا تتحوّل إلى مقاطع فيديو».

أما آرون سميث (Aaron Smith)، المشارك في البحث وأستاذ الفيزياء المساعد في جامعة تكساس في دالاس (University of Texas at Dallas)، فيقول: «نشعر بحظ كبير لأننا نبني محاكاة مثل Lumina». ويتابع: «لأول مرة، يمكننا أن نتابع كيف تحوّل الهيدروجين والهيليوم معاً إلى صورتيهما الحديثتين عبر حجم هائل كهذا من الكون، مع الاحتفاظ بتمييز المجرّات والأجرام المضيئة الأخرى التي تقود ذلك التحول».

ما الأسئلة التي تبقى مفتوحة؟

لا تزال مصادر إعادة التأيّن، من نجوم وثقوب سوداء فائقة الكتلة، موضع غموض. ولا يزال علماء الكونيات يبحثون في جدولها الزمني، وفي ما إذا انتهت العملية بسلاسة أم على شكل بقع متفرقة. وتساعد المحاكاة الكونية عموماً في تفسير الرصد الدقيق للتلسكوبات القوية، كما يستخدمها الباحثون لدراسة تكوّن النجوم وتمدد الكون.

وتتوقف Lumina عند z = 3 لا أبعد. وبينما يواصل JWST تقديم مفاجآته ويستعد NGRST لبدء مهمته، سيكشف الاختبار الحقيقي حين تُقارن تنبؤات المحاكاة عن الطوبولوجيا والمجرّات والنوى النشطة بما ترصده هذه المراصد فعلاً.