Ученые разработали самую большую и подробную модель ранней Вселенной

Apr 16, 2023

Все началось около 13,8 миллиардов лет назад с большого космологического «взрыва», который внезапно и впечатляюще создал Вселенную. Вскоре после этого зародившаяся Вселенная резко остыла и полностью потемнела.

Затем, через пару сотен миллионов лет после Большого взрыва, Вселенная проснулась, когда гравитация собрала материю в первые звезды и галактики. Свет этих первых звезд превратил окружающий газ в горячую ионизированную плазму — решающее преобразование, известное как космическая реионизация, которое привело Вселенную к той сложной структуре, которую мы видим сегодня.

Теперь ученые могут получить подробную информациюВзгляните на то, как Вселенная могла развиваться в этот решающий период, с помощью новой модели, известной как Thesan, разработанной учеными из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и Института астрофизики Макса Планка.

Названный в честь этрусской богини рассвета, Тесан предназначен для имитации «космического рассвета» и, в частности, космической реионизации, периода, который сложно реконструировать, поскольку он включает в себя чрезвычайно сложные, хаотические взаимодействия, в том числе между гравитацией, газом, и радиация.

Моделирование Thesan разрешает эти взаимодействия с высочайшей детализацией и в самом большом объеме, чем любое предыдущее моделирование. Это достигается путем объединения реалистичной модели формирования галактик с новым алгоритмом, отслеживающим взаимодействие света с газом, а также моделью космической пыли.

С помощью Thesan исследователи могут моделировать кубический объем Вселенной размером 300 миллионов световых лет в поперечнике. Они запускают моделирование вперед во времени, чтобы проследить первое появление и эволюцию сотен тысяч галактик в этом пространстве, начиная примерно через 400 000 лет после Большого взрыва и в течение первого миллиарда лет.

Пока что моделирование соответствует тем немногим наблюдениям астрономов о ранней Вселенной. По мере того, как за этот период будет проводиться больше наблюдений, например, с помощью недавно запущенного космического телескопа Джеймса Уэбба, Thesan может помочь поместить такие наблюдения в космический контекст.

На данный момент моделирование начинает проливать свет на определенные процессы, например, на то, как далеко может распространяться свет в ранней Вселенной и какие галактики ответственны за реионизацию.

«Тезан действует как мост в раннюю Вселенную», — говорит Аарон Смит, научный сотрудник НАСА по Эйнштейну в Институте астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. «Он призван служить идеальным аналогом моделирования для будущих наблюдательных объектов, которые готовы фундаментально изменить наше понимание космоса».

Смит и Марк Фогельсбергер, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института, Рахул Каннан из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и Энрико Гаральди из Max Planck представили тезанское моделирование в трех статьях, третья из которых опубликована в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества». .

На самых ранних стадиях космической реионизации Вселенная представляла собой темное и однородное пространство. Для физиков космическую эволюцию в эти ранние «темные века» относительно легко вычислить.

«В принципе, вы можете решить это с помощью ручки и бумаги», — говорит Смит. «Но в какой-то момент гравитация начинает стягивать и сжимать материю, сначала медленно, но затем настолько быстро, что расчеты становятся слишком сложными, и нам приходится проводить полное моделирование».

Чтобы полностью смоделировать космическую реионизацию, команда стремилась включить как можно больше основных ингредиентов ранней Вселенной. Они начали с успешной модели формирования галактик, которую ранее разработали их группы, под названием Illustris-TNG, которая, как было показано, точно моделирует свойства и население развивающихся галактик. Затем они разработали новый код, учитывающий, как свет галактик и звезд взаимодействует с окружающим газом и реионизирует его — чрезвычайно сложный процесс, который другие модели моделирования не смогли точно воспроизвести в больших масштабах.

«Тезан прослеживает, как свет этих первых галактик взаимодействует с газом в течение первого миллиарда лет и превращает Вселенную из нейтральной в ионизированную», — говорит Каннан. «Таким образом, мы автоматически следим за процессом реионизации по мере его развития».