Ten oszałamiający film przedstawia największą i najbardziej szczegółową symulację wczesnego Wszechświata, jak dotąd

Mały klips do symulacji Thesan. Zobacz wideo w poniższym artykule.

Nazwane na cześć bogini świtu, symulacje Thesan dotyczące pierwszego miliarda lat pomagają wyjaśnić, w jaki sposób promieniowanie ukształtowało wczesny wszechświat.

Wszystko zaczęło się około 13,8 miliarda lat temu od ogromnej kosmicznej „eksplozji”, która nagle i zdumiewająco stworzyła wszechświat. Wkrótce niemowlęcy wszechświat ostygł dramatycznie i stał się całkowicie ciemny.

Następnie, w ciągu kilkuset milionów lat później[{” 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.

Thesan Early Universe Simulation

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.

READ  Księżycowa rakieta Mega Artemis zostanie wystrzelona na wyrzutni 6 czerwca

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.

READ  Naukowcy zidentyfikowali nowy przerażający gatunek homara włochatego

“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.


Ta symulacja wydzielania i promieniowania gazu pokazuje przykład wykonania neutralnego wodoru gazowego. Kolory reprezentują intensywność i jasność, ujawniając niekompletną strukturę rejonizacji w sieci włókien gazu neutralnego o dużej gęstości.

kosmiczny most

Mając komponenty symulacji, zespół określił początkowe warunki na około 400 000 lat po Wielkim Wybuchu, opierając się na precyzyjnych pomiarach światła pozostałego po Wielkim Wybuchu. Następnie opracowali te warunki do przodu w czasie, aby symulować obszar wszechświata, używając maszyny SuperMUC-NG – jednego z największych superkomputerów na świecie – która jednocześnie wykorzystywała 60 000 rdzeni komputerowych do wykonywania obliczeń Thesan na odpowiedniku 30 milionów procesorów. godzinę (wysiłek, który zajęłoby 3500 lat na jednym komputerze).

Symulacje dały najbardziej szczegółowy obraz kosmicznej rejonizacji, w największej objętości przestrzeni, ze wszystkich istniejących symulacji. Podczas gdy niektóre symulacje przebiegają na dużych odległościach, robią to w stosunkowo niskiej rozdzielczości, podczas gdy inne, bardziej szczegółowe symulacje nie obejmują dużych rozmiarów.

„Przechodzimy między tymi dwoma podejściami: mamy dużą objętość i wysoką precyzję”, podkreśla Vogelsberger.

Wczesne analizy symulacji wskazują, że pod koniec kosmicznej rejonizacji odległość, która umożliwia światłu podróżowanie, wzrosła znacznie bardziej niż zakładali wcześniej naukowcy.

READ  Zdolność autonomicznej jazdy NASA Perseverance Rover zostaje wystawiona na próbę w pośpiechu do delty Marsa

„Thesan odkrył, że światło nie przemieszcza się na duże odległości we wczesnym wszechświecie” – mówi Canan. „W rzeczywistości odległość ta jest bardzo mała i staje się duża dopiero pod koniec rejonizacji, zwiększając się dziesięciokrotnie w ciągu zaledwie kilkuset milionów lat”.

Naukowcy dostrzegają również wskazówki dotyczące rodzaju galaktyk odpowiedzialnych za rejonizację. Wydaje się, że masa galaktyki wpływa na rejonizację, chociaż zespół twierdzi, że więcej obserwacji, wykonanych przez Jamesa Webba i inne obserwatoria, pomoże zidentyfikować te dominujące galaktyki.

„W środku jest dużo ruchomych części [modeling cosmic reionization]”, podsumowuje Vogelsberger. „Kiedy możemy to wszystko połączyć w jakąś maszynę i zacząć ją obsługiwać, aby w rezultacie powstał dynamiczny wszechświat, jest to dla nas wszystkich bardzo satysfakcjonujący moment”.

Odniesienie: „This Project: Lyman-A Emission and Transfer during the Reionization Era” autorstwa A Smith, R. Cannan, E. Garaldi, M. Vogelsberger, R. Buckmore, w Sprinkle i L. Hernquist, 24 marca 2022 r. Dostępne tutaj Comiesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
DOI: 10.1093/mnras/stac713

Badania te były częściowo wspierane przez NASA, Narodową Fundację Nauki oraz Gaussa Center for Supercomputing.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.