Поразителна нова симулация показва как светлините се включват в нашата Вселена

(Thesan Collaboration)

Имало е време, когато нашата Вселена не е била нищо друго освен непрозрачно, лишено от светлина море от завихрен газ.

По времето, когато Вселената беше на един милиард години обаче, всичко се беше променило. Радиацията от първите звезди и галактики предизвика драматична промяна, позволявайки на светлината да тече свободно през целия електромагнитен спектър.

Нова симулация, наречена Thesan на името на етруската богиня на зората, позволи на учените да изследват Тъмните векове на Вселената. Това е нов инструмент за разглеждане в детайли как може да са се включили светлините в Космическата зора. И е абсолютно красиво.

„Тесан действа като мост към ранната Вселена,“ каза физикът Арън Смит от Института Кавли за астрофизика и космически изследвания на MIT. „Предназначено е да служи като идеален аналог за симулация за предстоящи съоръжения за наблюдение, които са готови да променят фундаментално нашето разбиране за космоса.“

Повечето от това, което знаем за Вселената, сме научили от светлината (с изключение на гравитационни вълни , област на астрономията, която все още е в начален стадий). Така че, когато светлината е възпрепятствана по някакъв начин, това причинява доста проблеми; просто погледнете (или не гледайте, според случая) на черни дупки , които не излъчват откриваема радиация.

Ранната Вселена между 50 милиона и 1 милиард години след Голям взрив е друг такъв случай. Този период е известен като Космическата зора, времето, в което Вселената, каквато я познаваме днес, току-що започва да се събира от първичната плазма. Преди да се появят първите звезди, той беше изпълнен с гореща мътна мъгла от йонизиран газ. Светлината не можеше да пътува свободно през тази мъгла; то просто се разпръсна от свободните електрони.

След като Вселената се охлади достатъчно, протоните и електроните започнаха да се рекомбинират в неутрални водородни атоми. Това означаваше, че светлината най-накрая може да пътува през космоса. Когато първите звезди и галактики започнаха да се формират, около 150 милиона години след Големия взрив, тяхната ултравиолетова светлина постепенно рейонизира неутралния водород, навсякъде из цялата Вселена, позволявайки на целия спектър от електромагнитно излъчване да тече свободно. Това е епохата на рейонизацията.

До около 1 милиард години след Големия взрив, Вселената е напълно рейонизирана; по-рано от тази граница от 1 милиард години, обаче, ние не можем да видим с нашите настоящи инструменти, което прави тази критична Космическа зора трудна за разбиране.

'Повечето астрономи нямат лаборатории, в които да провеждат експерименти. Мащабите на пространството и времето са твърде големи, така че единственият начин, по който можем да правим експерименти, е на компютри,' каза астрофизикът Рахул Канан от Центъра за астрофизика Харвард-Смитсониън.

„В състояние сме да вземем основни физични уравнения и управляващи теоретични модели, за да симулираме какво се е случило в ранната Вселена.“

Thesan започва с реалистичен модел на образуване на галактика, заедно с нов алгоритъм за възпроизвеждане на това как светлината взаимодейства и реионизира околния газ, както и модел на космически прах.

Тези процеси и взаимодействия са много сложни; за да симулира част от Вселената с диаметър 300 милиона светлинни години, от 400 000 до един милиард години след Големия взрив, екипът използва мощен суперкомпютър, машина SuperMUC-NG, която използва еквивалента на 30 милиона CPU часа, за да работи с Thesan.

Получената симулация е най-детайлният изглед досега на епохата на рейонизацията, улавяща физиката в мащаби милион пъти по-малки от симулираните региони, казаха изследователите. Това дава „безпрецедентен“ поглед върху начина, по който ранните галактики са се формирали и са взаимодействали с газа на ранната Вселена. Той показва постепенна промяна, когато светлината започва да прониква през Вселената.

„Това е малко като вода във формички за лед; когато го поставите във фризера, наистина отнема време, но след известно време започва да замръзва по краищата и след това бавно се промъква, каза Смит . „Това беше същата ситуация в ранната Вселена – това беше неутрален, тъмен космос, който стана ярък и йонизиран, когато светлината започна да излиза от първите галактики.“

Интересното е, че Thesan показа, че първоначално светлината изобщо не пътува много далеч. Едва към края на рейонизацията светлината може да измине големи разстояния. Екипът също така видя кои типове галактики имат най-голямо влияние върху рейонизацията, като галактическата маса играе голяма роля.

Няма да трябва да чакаме дълго, за да разберем колко точна е симулацията. Космическият телескоп Джеймс Уеб (JWST) трябва да започне научни операции след няколко месеца и е частично проектиран да надникне назад към около 300 000 години след Големия взрив, когато рейонизацията е била в разгара си.

„И това е интересната част“, каза физикът Марк Фогелсбергер на MIT.

„Или нашите симулации и модел на Thesan ще се съгласят с това, което открива JWST, което ще потвърди нашата картина на Вселената, или ще има значително несъгласие, показващо, че разбирането ни за ранната Вселена е погрешно.“

Така или иначе, ще научим нещо много вълнуващо за мистериозното раждане и ранните години на нашата удивителна Вселена.

Изследването е публикувано в Месечни известия на Кралското астрономическо дружество .

За Нас

Публикуването На Независими, Доказани Факти От Доклади За Здравето, Пространството, Природата, Технологиите И Околната Среда.