Pirmųjų milijardų metų Tesano modeliavimas, pavadintas aušros deivės vardu, padeda paaiškinti, kaip radiacija suformavo ankstyvąją visatą.

Viskas prasidėjo maždaug prieš 13,8 milijardo metų nuo didžiulio kosminio „sprogimo“, kuris staiga ir nuostabiai sukūrė visatą. Netrukus kūdikių visata dramatiškai atvėso ir tapo visiškai tamsu.

Tada, po kelių šimtų milijonų metų[{” attribute=””>Big Bang, the universe woke up, as gravity gathered matter into the first stars and galaxies. Light from these first stars turned the surrounding gas into a hot, ionized plasma — a crucial transformation known as cosmic reionization that propelled the universe into the complex structure that we see today.

Now, scientists can get a detailed view of how the universe may have unfolded during this pivotal period with a new simulation, known as Thesan, developed by scientists at MIT, Harvard University, and the Max Planck Institute for Astrophysics.

Named after the Etruscan goddess of the dawn, Thesan is designed to simulate the “cosmic dawn,” and specifically cosmic reionization, a period which has been challenging to reconstruct, as it involves immensely complicated, chaotic interactions, including those between gravity, gas, and radiation.

The Thesan simulation resolves these interactions with the highest detail and over the largest volume of any previous simulation. It does so by combining a realistic model of galaxy formation with a new algorithm that tracks how light interacts with gas, along with a model for cosmic dust.

Evolution of simulated properties in the main Thesan run. Time progresses from left to right. The dark matter (top panel) collapse in the cosmic web structure, composed of clumps (haloes) connected by filaments, and the gas (second panel from the top) follows, collapsing to create galaxies. These produce ionizing photons that drive cosmic reionization (third panel from the top), heating up the gas in the process (bottom panel). Credit: Courtesy of THESAN Simulations

With Thesan, the researchers can simulate a cubic volume of the universe spanning 300 million light years across. They run the simulation forward in time to track the first appearance and evolution of hundreds of thousands of galaxies within this space, beginning around 400,000 years after the Big Bang, and through the first billion years.

So far, the simulations align with what few observations astronomers have of the early universe. As more observations are made of this period, for instance with the newly launched James Webb Space Telescope, Thesan may help to place such observations in cosmic context.

For now, the simulations are starting to shed light on certain processes, such as how far light can travel in the early universe, and which galaxies were responsible for reionization.

“Thesan acts as a bridge to the early universe,” says Aaron Smith, a NASA Einstein Fellow in MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. “It is intended to serve as an ideal simulation counterpart for upcoming observational facilities, which are poised to fundamentally alter our understanding of the cosmos.”

Smith and Mark Vogelsberger, associate professor of physics at MIT, Rahul Kannan of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, and Enrico Garaldi at Max Planck have introduced the Thesan simulation through three papers, the third published on March 24, 2022, in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Follow the light

In the earliest stages of cosmic reionization, the universe was a dark and homogenous space. For physicists, the cosmic evolution during these early “dark ages” is relatively simple to calculate.

“In principle you could work this out with pen and paper,” Smith says. “But at some point gravity starts to pull and collapse matter together, at first slowly, but then so quickly that calculations become too complicated, and we have to do a full simulation.”

To fully simulate cosmic reionization, the team sought to include as many major ingredients of the early universe as possible. They started off with a successful model of galaxy formation that their groups previously developed, called Illustris-TNG, which has been shown to accurately simulate the properties and populations of evolving galaxies. They then developed a new code to incorporate how the light from galaxies and stars interact with and reionize the surrounding gas — an extremely complex process that other simulations have not been able to accurately reproduce at large scale.

“Thesan follows how the light from these first galaxies interacts with the gas over the first billion years and transforms the universe from neutral to ionized,” Kannan says. “This way, we automatically follow the reionization process as it unfolds.”

Finally, the team included a preliminary model of cosmic dust — another feature that is unique to such simulations of the early universe. This early model aims to describe how tiny grains of material influence the formation of galaxies in the early, sparse universe.

Šis dujų išsiskyrimo ir spinduliavimo modeliavimas rodo neutralių vandenilio dujų įkūnijimą. Spalvos atspindi intensyvumą ir ryškumą, atskleidžiančios neužbaigtą rejonizacijos struktūrą didelio tankio neutralių dujų gijų tinkle.

kosminis tiltas

Įdiegę modeliavimo komponentus, komanda nustatė pradines sąlygas maždaug 400 000 metų po Didžiojo sprogimo, remdamasi tiksliais Didžiojo sprogimo likusios šviesos matavimais. Tada jie sukūrė šias sąlygas laiku, kad imituotų visatos ruožą, naudodami SuperMUC-NG mašiną – vieną didžiausių pasaulyje superkompiuterių, kuri vienu metu panaudojo 60 000 kompiuterių branduolių, kad atliktų Tesano skaičiavimus, atitinkančius 30 milijonų procesorių. valandą (pastangos, kurioms būtų prireikę 3500 metų, kad veiktų viename darbalaukyje).

Modeliavimas sukūrė išsamiausią kosminės rejonizacijos vaizdą didžiausioje erdvėje iš bet kokio egzistuojančio modeliavimo. Nors kai kurie modeliavimai vykdomi dideliais atstumais, jie tai daro santykinai maža skiriamąja geba, o kiti, išsamesni modeliai neapima didelių dydžių.

„Mes pereiname tarp šių dviejų metodų: turime didelį kiekį ir didelį tikslumą“, – pabrėžia Vogelsbergeris.

Ankstyvoji modeliavimo analizė rodo, kad kosminės rejonizacijos pabaigoje atstumas, kurį galėjo nukeliauti šviesa, padidėjo žymiai daugiau, nei anksčiau manė mokslininkai.

„Thesanas nustatė, kad šviesa ankstyvojoje visatoje nekelia didelių atstumų“, – sako Cananas. „Tiesą sakant, šis atstumas yra labai mažas ir jis tampa didelis tik reionizacijos pabaigoje, padidėdamas 10 kartų vos per kelis šimtus milijonų metų.

Tyrėjai taip pat mato užuominų apie galaktikų, atsakingų už rejonizaciją, tipą. Atrodo, kad galaktikos masė turi įtakos rejonizacijai, nors komanda teigia, kad daugiau stebėjimų, kuriuos atliko Jamesas Webbas ir kitos observatorijos, padės nustatyti šias dominuojančias galaktikas.

„Yra daug judančių dalių [modeling cosmic reionization]“, – apibendrina Vogelsbergeris. „Kai galime visa tai sudėti į kažkokią mašiną ir pradėti ją paleisti bei sukurti dinamišką visatą, tai mums visiems yra labai naudinga akimirka.

Nuoroda: A Smith, R. Cannan, E. Garaldi, M. Vogelsberger, R. Buckmore „Kitas projektas: Lyman-A emisija ir perdavimas reionizacijos eros metu“, Sprinkle ir L. Hernquist, 2022 m. kovo 24 d. čia. Karališkosios astronomijos draugijos mėnesiniai pranešimai.
DOI: 10.1093/mnras/stac713

Šį tyrimą iš dalies palaikė NASA, Nacionalinis mokslo fondas ir Gauso superkompiuterių centras.