Nowa symulacja Gobsmacking pokazuje, jak włączają się światła w naszym wszechświecie

Był czas, kiedy nasz wszechświat był tylko ciemnym i jasnym morzem wirujących gazów.

Zanim wszechświat osiągnął miliard lat, wszystko się zmieniło. Promieniowanie pierwszych gwiazd i galaktyk uległo drastycznej zmianie, umożliwiając swobodny przepływ światła w całym spektrum elektromagnetycznym.

Nowa symulacja, nazwana Thesan na cześć etruskiej bogini świtu, pozwoliła naukowcom zbadać ciemne wieki wszechświata. To nowe narzędzie, które pozwala szczegółowo zobaczyć, jak włączano światła w Kosmicznym Świcie. Ona jest bardzo piękna.

„Thesan służy jako pomost do wczesnego wszechświata” Fizyk Aaron Smith powiedział: z Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli w Massachusetts Institute of Technology. „Ma on służyć jako idealny odpowiednik symulacyjny dla nadchodzących obiektów obserwacyjnych, które mogą fundamentalnie zmienić nasze rozumienie wszechświata”.

Większość tego, co wiemy o wszechświecie, dowiedzieliśmy się od światła (z godnym uwagi wyjątkiem: fale grawitacyjneDziedzina astronomii jest wciąż w powijakach). Dlatego też, gdy światło jest w jakiś sposób przesłonięte, powoduje to pewne problemy; Po prostu patrz (lub nie patrz, w zależności od sytuacji) czarne dziuryktóry nie emituje wykrywalnego promieniowania.

Wczesny wszechświat jest od 50 milionów do 1 miliarda lat później wielka eksplozja to kolejny taki przypadek. Okres ten znany jest jako kosmiczny świt, czas, kiedy wszechświat, jaki znamy dzisiaj, dopiero zaczynał się gromadzić z pierwotnej plazmy. Zanim pojawiły się pierwsze gwiazdy, była wypełniona ciemną, gorącą mgiełką zjonizowanego gazu. Światło nie mogło swobodnie podróżować przez tę mgłę; Po prostu rozpraszają wolne elektrony.

Gdy wszechświat wystarczająco się ochłodził, protony i elektrony zaczęły się rekombinować, tworząc neutralne atomy wodoru. Oznacza to, że światło może wreszcie podróżować w przestrzeni. Kiedy zaczęły powstawać pierwsze gwiazdy i galaktyki, około 150 milionów lat po Wielkim Wybuchu, ich światło ultrafioletowe ponownie zjonizowało neutralny wodór we wszechświecie, umożliwiając swobodny przepływ całego spektrum promieniowania elektromagnetycznego. To jest era rejonizacji.

Około miliarda lat po Wielkim Wybuchu wszechświat został całkowicie zjonizowany; Jednak przed upływem miliarda lat nie możemy tak naprawdę zobaczyć za pomocą naszych obecnych instrumentów, co sprawia, że ​​ten kluczowy kosmiczny świt jest trudny do zrozumienia.

„Większość astronomów nie ma laboratoriów, w których można przeprowadzać eksperymenty. Skale przestrzeni i czasu są bardzo duże, więc jedynym sposobem, w jaki możemy przeprowadzać eksperymenty, są komputery”. Astrofizyk Rahul Kanaan powiedział: Z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

„Jesteśmy w stanie wykorzystać podstawowe równania fizyczne i rządzące modele teoretyczne do symulacji tego, co wydarzyło się we wczesnym wszechświecie”.

Thesan zaczyna się od realistycznego modelu formowania się galaktyk, wraz z nowym algorytmem odtwarzającym interakcje światła z otaczającym gazem i rejonizacją oraz modelem kosmicznego pyłu.

Te procesy i interakcje są bardzo złożone; Aby zasymulować część wszechświata na przestrzeni 300 milionów lat świetlnych, od 400 000 do 1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, zespół wykorzystał potężny superkomputer SuperMUC-NG, który do zasilania Thesan zużywał równowartość 30 milionów godzin pracy procesora.

Wynikająca z tego symulacja jest jak dotąd najbardziej szczegółowym obrazem ery rejonizacji, stwierdzili naukowcy, ukazując fizykę w skalach milion razy mniejszych niż symulowane regiony. Daje to „bezprecedensowe” spojrzenie na sposób, w jaki wczesne galaktyki formowały się i wchodziły w interakcje z gazami wczesnego Wszechświata. Pokazuje stopniową zmianę, gdy światło zaczyna przenikać przez wszechświat.

„To trochę jak woda w tackach z kostkami lodu; kiedy włożysz ją do zamrażarki, zajmuje to trochę czasu, ale po chwili zaczyna zamarzać na brzegach, a potem powoli wkrada się do środka” Smith powiedział…. „To była ta sama sytuacja we wczesnym wszechświecie – był to neutralny, ciemny wszechświat, który stał się jasny i zjonizowany, gdy światło zaczęło pojawiać się z pierwszych galaktyk”.

Co ciekawe, Thesan pokazał, że początkowo światło wcale nie podróżuje daleko. Dopiero pod koniec rejonizacji światło jest w stanie pokonywać duże odległości. Zespół sprawdził również, jakie rodzaje galaktyk miały największy wpływ na rejonizację, przy czym dużą rolę odgrywała masa galaktyczna.

Nie będziemy długo czekać, aby zobaczyć, jak dokładna jest symulacja. Ze względu na rozpoczęcie działalności naukowej w ciągu kilku miesięcy, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) został zaprojektowany częściowo tak, aby cofnąć się o prawie 300 000 lat po Wielkim Wybuchu, kiedy rejonizacja była w pełnym rozkwicie.

„I to jest interesująca część” Fizyk Mark Vogelsberger powiedział: z Massachusetts Institute of Technology.

„Albo nasza symulacja i model Thesan są zgodne z odkryciami JWST, co potwierdzi nasz obraz wszechświata, albo pojawi się znacząca różnica zdań pokazująca, że ​​nasze rozumienie wczesnego Wszechświata jest błędne”.

Tak czy inaczej, dowiemy się czegoś bardzo ekscytującego o tajemniczych narodzinach i wczesnych latach naszego niesamowitego wszechświata.

Wyszukiwanie zostało opublikowane w Comiesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.