Ohromujúca nová simulácia ukazuje, ako sa rozsvietili svetlá v našom vesmíre

(Thesan Collaboration)

Boli časy, keď náš vesmír nebol ničím iným ako nepriehľadným, bezsvetlým morom víriaceho plynu.

V čase, keď bol vesmír starý miliardu rokov, sa však všetko zmenilo. Žiarenie z prvých hviezd a galaxií spôsobilo dramatickú zmenu a umožnilo svetlu voľne prúdiť cez celé elektromagnetické spektrum.

Nová simulácia, pomenovaná Thesan po etruskej bohyni úsvitu, umožnila vedcom skúmať temné časy vesmíru. Je to nový nástroj na podrobné zobrazenie toho, ako sa svetlá zapli na Kozmickom úsvite. A je to úplne nádherné.



'Thesan funguje ako most do raného vesmíru,' povedal fyzik Aaron Smith z Kavliho inštitútu pre astrofyziku a výskum vesmíru na MIT. 'Má slúžiť ako ideálny simulačný náprotivok pre nadchádzajúce pozorovacie zariadenia, ktoré sú pripravené zásadne zmeniť naše chápanie vesmíru.'

Väčšinu z toho, čo vieme o vesmíre, sme sa naučili zo svetla (s významnou výnimkou gravitačné vlny , oblasť astronómie stále v plienkach). Takže, keď je svetlo nejakým spôsobom bránené, spôsobuje to dosť problémov; stačí sa pozrieť (alebo podľa okolností nepozerať). čierne diery ktoré nevyžarujú žiadne detekovateľné žiarenie.

Raný vesmír medzi 50 miliónmi a 1 miliardou rokov po Veľký tresk je ďalší takýto prípad. Toto obdobie je známe ako Kozmický úsvit, čas, keď sa vesmír, ako ho poznáme dnes, práve začínal skladať z prvotnej plazmy. Predtým, ako prišli prvé hviezdy, bola naplnená horúcou kalnou hmlou ionizovaného plynu. Svetlo sa cez túto hmlu nemohlo voľne pohybovať; jednoducho rozptýli voľné elektróny.

Keď sa vesmír dostatočne ochladil, protóny a elektróny sa začali rekombinovať na neutrálne atómy vodíka. To znamenalo, že svetlo mohlo konečne cestovať vesmírom. Keď sa začali formovať prvé hviezdy a galaxie, približne 150 miliónov rokov po Veľkom tresku, ich ultrafialové svetlo postupne reionizovalo neutrálny vodík všadeprítomný v celom vesmíre, čo umožnilo voľné prúdenie celého spektra elektromagnetického žiarenia. Toto je epocha reionizácie.

Asi 1 miliardu rokov po Veľkom tresku bol vesmír úplne reionizovaný; skôr ako za túto 1 miliardu rokov, však s našimi súčasnými prístrojmi skutočne nevidíme, čo sťažuje pochopenie tohto kritického Kozmického úsvitu.

'Väčšina astronómov nemá laboratóriá, v ktorých by mohli vykonávať experimenty. Miery priestoru a času sú príliš veľké, takže experimenty môžeme robiť len na počítačoch,' povedal astrofyzik Rahul Kannan z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

'Sme schopní zobrať základné fyzikálne rovnice a riadiace teoretické modely na simuláciu toho, čo sa stalo v ranom vesmíre.'

Thesan začína realistickým modelom formovania galaxií spolu s novým algoritmom na reprodukovanie toho, ako svetlo interaguje a reionizuje okolitý plyn, a modelom kozmického prachu.

Tieto procesy a interakcie sú veľmi komplikované; na simuláciu časti vesmíru s priemerom 300 miliónov svetelných rokov, od 400 000 do miliardy rokov po Veľkom tresku, tím použil výkonný superpočítač, stroj SuperMUC-NG, ktorý na spustenie Thesanu spotreboval ekvivalent 30 miliónov hodín CPU.

Výsledná simulácia je zatiaľ najpodrobnejším pohľadom na epochu reionizácie, zachytáva fyziku na mierkach miliónkrát menších ako simulované oblasti, uviedli vedci. To poskytuje „bezprecedentný“ pohľad na spôsob, akým sa rané galaxie formovali a interagovali s plynom raného vesmíru. Ukazuje postupnú zmenu, keď svetlo začína prenikať vesmírom.

„Je to trochu ako voda vo formách na ľad; keď ho vložíte do mrazničky, trvá to, ale po chvíli začne na okrajoch primŕzať a potom sa pomaly vkráda,“ povedal Smith . 'To bola rovnaká situácia v ranom vesmíre - bol to neutrálny, tmavý vesmír, ktorý sa stal jasným a ionizovaným, keď sa začalo objavovať svetlo z prvých galaxií.'

Zaujímavé je, že Thesan ukázal, že spočiatku svetlo vôbec necestuje príliš ďaleko. Až ku koncu reionizácie je svetlo schopné cestovať na veľké vzdialenosti. Tím tiež zistil, ktoré typy galaxií mali najväčší vplyv na reionizáciu, pričom veľkú úlohu zohrávala galaktická hmota.

Nebudeme musieť dlho čakať, aby sme zistili, aká presná je simulácia. Vesmírny teleskop Jamesa Webba (JWST) má začať vedeckú činnosť o niekoľko mesiacov a je čiastočne navrhnutý tak, aby sa mohol pozrieť späť do obdobia približne 300 000 rokov po Veľkom tresku, keď bola reionizácia v plnom prúde.

'A to je tá zaujímavá časť,' povedal fyzik Mark Vogelsberger z MIT.

'Buď naše thesanské simulácie a model budú súhlasiť s tým, čo nájde JWST, čo by potvrdilo náš obraz vesmíru, alebo dôjde k výraznému nesúhlasu, ktorý ukáže, že naše chápanie raného vesmíru je nesprávne.'

Tak či onak, dozvieme sa niečo veľmi vzrušujúce o záhadnom zrode a prvých rokoch nášho úžasného vesmíru.

Výskum bol publikovaný v Mesačné oznámenia Kráľovskej astronomickej spoločnosti .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.