הצצה לראשית הזמן: כך נראו 2 מיליארד השנים הראשונות של היקום

מכונת הזמן הדיגיטלית: במרחק מיליוני קילומטרים מכדור הארץ, טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) וטלסקופ החלל ננסי גרייס רומן מציצים אל מעמקי החלל ומצלמים את הגלקסיות הקדומות ביותר שנוצרו אי פעם. אלא שתמונות מרהיבות לחוד והבנה פיזיקלית לחוד. כדי לפענח את המראות שמגיעים מהקוסמוס העתיק, הפיזיקאים היו צריכים לבנות את היקום כולו מחדש - בתוך מחשב-על.

במחקר חדש שפורסם בכתב העת המדעי Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, חשף צוות אסטרופיזיקאים מהמרכז לאסטרופיזיקה של הרווארד והסמית'סוניאן את "Lumina" - סימולציית ההידרודינמיקה הקרינתית הגדולה והמפורטת ביותר שנוצרה בהיסטוריה לשחזור שני מיליארד השנים הראשונות של היקום.

כדי להפיח חיים דיגיטליים בראשית הזמן, נדרש כוח מחשוב דמיוני: החוקרים רתמו יותר מ-15 אלף מעבדים גרפיים (GPUs) שפעלו במשך חודשים על מנת לחשב כיצד חומר רגיל, חומר אפל וקרינת אור קדומה התנגשו, זרמו והרכיבו את הגלקסיות והכוכבים הראשונים.

הקורים הסודיים של החומר האפל

סימולציית Lumina מצליחה לפרוס יריעה קוסמית בקנה מידה בלתי נתפס של כ-650 מיליון שנות אור. ההדמיות שפורסמו חושפות בפירוט עוצר נשימה את "הרשת הקוסמית" - מערך פיגומים אדיר של חומר אפל בלתי נראה, שלאורכו זורם הגז הבין-גלקטי ומתרכז בצמתים שבהם נולדות גלקסיות חדשות.

ההישג המדעי המרכזי של המודל הוא היכולת לעקוב, לראשונה ברזולוציה כה חדה, אחר תהליך היוניזציה של המימן וההליום.

• קורי החומר האפל: נימים דקיקים ומסועפים שמחזיקים את היקום ומכתיבים את תנועת הגז.

• גז בתנועת שיא: אזורים בגווני כתום וצהוב זוהר הממחישים היכן הגז נע במהירות המרבית בין צבירי הגלקסיות.

• התפתחות ההליום והמימן: המודל מציג מתי וכיצד הפכו היסודות הקדמוניים מצורתם הפרימיטיבית והמיוננת חלקית לצורתם המודרנית (המסומנת בהדמיות בגווני כחול, טורקיז וזהב), כתוצאה מהקרינה הלוהטת שפלטו הדורות הראשונים של הכוכבים.

"בעזרת טלסקופ ג'יימס ווב, היקום הקדום הפך לחזית המסעירה ביותר באסטרופיזיקה", הסביר מוביל המחקר, ד"ר אוליבר ציר, אסטרונום חישובי ועמית מחקר בהרווארד וסמית'סוניאן. "כדי להבין מה אנחנו רואים דרך הטלסקופ, אנחנו חייבים לתרגם תיאוריות פיזיקליות לתחזיות ויזואליות מדויקות. אחרי שנים של עבודה, לראות את התחזיות מתעוררות לחיים בווידאו זה סיפוק עצום".

למה צריך לסמלץ את היקום אם יש טלסקופים? תחשבו על חוקר שמקבל שבריר צילום מטושטש של עיר עתיקה מלפני אלפי שנים. הוא רואה נקודות אור, אבל לא יודע אם מדובר במדורות, במנורות שמן או בשריפה ענקית. טלסקופים כמו ג'יימס ווב קולטים אור קדום שיצא לדרכו לפני יותר מ-13 מיליארד שנה, אך הם מספקים לנו רק "תמונת סטילס" ממרחק בלתי נתפס.

סימולציה כמו Lumina לוקחת את כל חוקי הפיזיקה הידועים לנו (כבידה, התפשטות הגז, קרינה גרעינית), מזינה אותם למחשב-על, ולוחצת על כפתור ה-Play. המחשב מריץ את היקום צעד אחר צעד ובודק: האם מה שהתפתח במחשב תואם במדויק את מה שג'יימס ווב רואה בשמיים? אם יש פער - סימן שחוקי הפיזיקה שלנו מפספסים משהו קריטי.

המבחן הגדול של הקוסמולוגיה

שותפו למחקר, פרופ' אהרון סמית' מאוניברסיטת טקסס בדאלאס, הדגיש את פריצת הדרך ההנדסית: "לראשונה, אנחנו מסוגלים לעקוב אחר האופן שבו מימן והליום השתנו לצורתם המודרנית על פני נפח כה עצום של היקום, ובו-זמנית לזהות את הגלקסיות הבודדות והעצמים הבהירים שהניעו את המהפך הזה".

השלב הבא של צוות החוקרים יהיה להצליב את התחזיות המספריות של Lumina מול התצפיות העדכניות ביותר של טלסקופ ווב וטלסקופ ננסי רומן. השוואה זו תאפשר לאסטרונומים לקבוע האם המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה עדיין עומד במבחן המציאות, או שמא התגליות החדשות מעבר לגבולות הזמן יחייבו את האנושות לנסח מחדש את חוקי היסוד של הפיזיקה.