Astronomowie ujawniają fascynującą symulację wczesnej ery rejonizacji wszechświata

Świetliki wydają się błyskać w ciemności. Powoli, coraz więcej się kumuluje, ekran rozświetla się w dużych fragmentach i grupach.

Ale to nie jest film o owadach. to jest symulacja Od wczesnego Wszechświata, czas po Wielkim Wybuchu, kiedy wszechświat przekształcił się z absolutnie ciemnego miejsca w promienne środowisko wypełnione światłem.

Oszałamiający film jest częścią dużego zestawu symulacji opisanych w serii trzech artykułów zaakceptowanych w Comiesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego. Stworzony przez naukowców z Centrum Astrofizyki | Symulacje Harvard, Smithsonian, MIT i Max Planck Institute for Astrophysics stanowią ogromny postęp w symulowaniu powstawania pierwszych galaktyk i rejonizacji — procesu, w którym neutralne atomy wodoru w kosmosie są przekształcane w dodatnio naładowany lub zjonizowany wodór, przepuszczając światło rozmnażać się w całym wszechświecie.

Okres symulacji, znany jako epoka rejonizacji, miał miejsce około 13 miliardów lat temu i był trudny do zrekonstruowania, ponieważ obejmuje bardzo chaotyczne i złożone interakcje, w tym między grawitacją, gazem, promieniowaniem lub światłem.

Wyjaśnia Rahul Kanan, astrofizyk z Centrum Astrofizyki i odpowiedzialny za autora pierwszego artykułu z serii. „Jesteśmy w stanie wziąć podstawowe równania fizyki i osądzić modele teoretyczne symulować to, co wydarzyło się we wczesnym wszechświecie”.

Symulacje zespołu — nazwane Thesan na cześć etruskiej bogini świtu — nakreślają interakcje we wczesnym wszechświecie w najdrobniejszych szczegółach i na większą skalę niż jakiekolwiek wcześniejsze symulacje. Fizyka we wczesnym wszechświecie została uchwycona w skalach milion razy mniejszych niż symulowane regiony, dostarczając bezprecedensowych szczegółów na temat właściwości wczesnych galaktyk i wpływu światła z tych galaktyk na gaz.

Zespół osiąga to, łącząc realistyczny model formowania się galaktyk z nowym algorytmem, który śledzi interakcje światła z gazem, wraz z modelem kosmicznego pyłu.

Korzystając z Thesan, naukowcy mogą symulować fragment naszego wszechświata obejmujący ponad 300 milionów lata świetlne Er. Zespół może przeprowadzić symulacje w czasie, aby śledzić i wizualizować pierwsze pojawienie się i ewolucję setek tysięcy galaktyk w tej przestrzeni, począwszy od około 400 000 lat po Wielkim Wybuchu i w ciągu pierwszego miliarda lat.

Symulacja ujawnia stopniową zmianę we wszechświecie z całkowitej ciemności w światło.

„To trochę jak woda w tackach na kostki lodu; kiedy wkładasz ją do zamrażarki, zajmuje to trochę czasu, ale po pewnym czasie zaczyna zamarzać na krawędziach, a następnie powoli wkrada się do środka” – mówi współautor badania Aaron Smith. członek NASA Einstein Fellow w Instytucie Technologii Kavli Institute of Astrophysics and Space Research w Massachusetts Institute of Technology. „To była ta sama sytuacja we wczesnym wszechświecie – był to ciemny, neutralny wszechświat, który stał się jasny i zjonizowany, gdy zaczęło się pojawiać światło z pierwszych galaktyk”.

Symulacje zostały stworzone, aby przygotować Uwagi Z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), który będzie mógł spojrzeć wstecz – około 13,5 miliarda lat – na poprzedników, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble’a.

„Wiele teleskopów pojawiających się w Internecie, takich jak JWST, jest specjalnie zaprojektowanych do badania tej epoki” – mówi Canan. „W tym miejscu wkraczają nasze symulacje; pomogą nam zinterpretować prawdziwe obserwacje z tego okresu i zrozumieć, co widzimy”.

Zespół wyjaśnia, że ​​obserwacje i dane z prawdziwego teleskopu zostaną wkrótce porównane z symulacją Thysan.

„I to jest interesująca część”, mówi współautor badania Mark Vogelsberger, profesor fizyki na MIT. „Albo symulacja i model Thesan będą zgodne z odkryciami JWST, co potwierdzi nasz obraz wszechświata, albo pojawi się znacząca rozbieżność pokazująca, że ​​nasze rozumienie wczesnego wszechświata jest błędne”.

Jednak zespół nie będzie wiedział, jak różne aspekty będą wyceniać ich model, dopóki nie pojawią się pierwsze obserwacje, które obejmą szeroki zakres tematów, w tym właściwości galaktyczne oraz absorpcję i lot światła w wczesny wszechświat.

„Opracowaliśmy symulacje na podstawie tego, co wiemy”, mówi Kanaan. „Ale chociaż społeczność naukowa wiele się nauczyła w ostatnich latach, nadal istnieje wiele niepewności, szczególnie w tych wczesnych czasach, kiedy wszechświat był bardzo młody”.

Symulacje zostały zbudowane przy użyciu jednego z największych superkomputerów na świecie, SuperMUC-NG, z ponad 30 milionami godzin pracy procesora. Same symulacje zajęłyby ponad 3500 lat na zwykłym komputerze.