Sve je počelo prije otprilike 13,8 milijardi godina velikim, kozmološkim “praskom” koji je iznenada i spektakularno stvorio svemir. Ubrzo nakon toga, tek stvoreni svemir se dramatično ohladio i potpuno smračio.
Zatim, unutar nekoliko stotina milijuna godina nakon Velikog praska, svemir se probudio. Gravitacije je skupila materiju u prve zvijezde i galaksije. Svjetlost ovih prvih zvijezda pretvorila je okolni plin u vruću, ioniziranu plazmu – ovo je bio ključan tenutak poznat kao kozmička reionizacija koja je sabila svemir u složenu strukturu koju vidimo danas.
Thesan – božica zore
Sada, pomoću nove simulacije, znanstvenici mogu dobiti detaljan uvid u to kako su se stvari u svemiru mogale odvijati tijekom ovog ključnog razdoblja. Poznatu kao Thesan, simulaciju su razvili znanstvenici s MIT-a, Sveučilišta Harvard i Instituta za astrofiziku Max Planck.
Nazvan po etruščanskoj božici zore, Thesan je dizajniran da simulira “kozmičku zoru”, a posebno kozmičku reionizaciju, razdoblje koje je bilo izazovno rekonstruirati, jer uključuje iznimno komplicirane, kaotične interakcije, uključujući one između gravitacije, plina, i zračenje.
Thesan simulacija razrješava te interakcije s većim od bilo koje prethodne simulacije. To čini kombiniranjem realističnog modela formiranja galaksija s novim algoritmom koji prati interakciju svjetlosti s plinom, zajedno s modelom kozmičke prašine.
S Thesanom, istraživači mogu simulirati kubični volumen svemira koji se proteže na 300 milijuna svjetlosnih godina. Oni pokreću simulaciju naprijed u vremenu kako bi pratili prvu pojavu i evoluciju stotina tisuća galaksija unutar ovog prostora, počevši oko 400.000 godina nakon Velikog praska, i kroz prvu milijardu godina.
Za sada, simulacije počinju raznjašnjavati određene procese, poput toga koliko daleko svjetlost može putovati u ranom svemiru i koje su galaksije bile odgovorne za reionizaciju.
“Thesan djeluje kao most koji vodi do ranog svemira”, kaže Aaron Smith, NASA-in suradnik u Kavli institutu za astrofiziku i svemirska istraživanja MIT-a.
“Namjera je da posluži kao idealan simulacijski pandan za nadolazeće objekte koje treba promatrati, koji su spremni iz temelja promijeniti naše razumijevanje kozmosa.”
Svjetlost
U najranijim fazama kozmičke reionizacije, svemir je bio taman i homogen prostor. Za fizičare je kozmičku evoluciju tijekom ovih ranih “mračnih doba” relativno jednostavno izračunati.
“U principu, ovo možete riješiti papirom i olovkom”, kaže Smith. “Ali u nekom trenutku gravitacija počinje povlačiti i kolabirati materiju, isprva polako, ali onda tako brzo da izračuni postaju previše komplicirani i moramo napraviti potpunu simulaciju.”
Kako bi u potpunosti simulirao kozmičku reionizaciju, tim je nastojao uključiti što više glavnih sastojaka ranog svemira. Počeli su s uspješnim modelom formiranja galaksija koji su njihove grupe prethodno razvile, nazvanim Illustris-TNG, za koji se pokazalo da točno simulira svojstva i populacije galaksija u razvoju. Zatim su razvili novi kod kako bi uključili kako svjetlost iz galaksija i zvijezda stupa u interakciju s okolnim plinom i reionizira ga – izuzetno složen proces koji druge simulacije nisu mogle točno reproducirati.
“Thesan prati kako svjetlost ovih prvih galaksija stupa u interakciju s plinom tijekom prvih milijardu godina i transformira svemir iz neutralnog u ionizirani”, kaže Kannan. “Na ovaj način automatski pratimo proces reionizacije dok se on odvija.”
Konačno, tim je uključio preliminarni model kozmičke prašine – još jednu značajku koja je jedinstvena za takve simulacije ranog svemira. Ovaj rani model ima za cilj opisati kako sićušna zrnca materijala utječu na formiranje galaksija u ranom, rijetkom svemiru.
Novi pristup
Tim je postavio početne uvjete za oko 400.000 godina nakon Velikog praska, na temelju preciznih mjerenja reliktnog svjetla iz Velikog praska. Zatim su razvili te uvjete naprijed u vremenu kako bi simulirali dio svemira, koristeći SuperMUC-NG— jedno od najvećih superračunala na svijetu — koje je istovremeno koristilo 60.000 računalnih jezgri za izvođenje Thesanovih izračuna na ekvivalentu od 30 milijuna CPU sati (napor za koji bi bilo potrebno 3500 godina da se pokrene na jednom desktopu).
Simulacije su proizvele najdetaljniji prikaz kozmičke reionizacije, u najvećem volumenu prostora, bilo koje postojeće simulacije. Dok neke simulacije modeliraju na velikim udaljenostima, one to rade u relativno niskoj rezoluciji, dok druge, detaljnije simulacije ne obuhvaćaju velike količine.
“Mi premošćujemo ova dva pristupa: imamo i veliki volumen i visoku rezoluciju”, naglašava Vogelsberger.
Rane analize simulacija sugeriraju da se pred kraj kozmičke reionizacije udaljenost svjetlosti mogla prijeći dramatičnije nego što su znanstvenici pretpostavili.
“Thesan je otkrio da svjetlost ne putuje na velike udaljenosti rano u svemiru”, kaže Kannan. “Zapravo, ta je udaljenost vrlo mala i postaje velika tek na samom kraju reionizacije, povećavajući se za faktor 10 tijekom samo nekoliko stotina milijuna godina.”
Istraživači također vide naznake vrste galaksija odgovornih za pokretanje reionizacije. Čini se da masa galaksije utječe na reionizaciju, iako tim kaže da će više zapažanja, snimljenih od strane Jamesa Webba i drugih zvjezdarnica, pomoći u određivanju ovih prevladavajućih galaksija.
“Postoji puno pokretnih dijelova u [modeliranju kozmičke reionizacije]”, zaključuje Vogelsberger. “Kada sve ovo možemo spojiti u neku vrstu mašinerije i početi njome upravljati i to proizvodi dinamičan svemir, to je za sve nas prilično koristan trenutak.”
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram-t.me/kozmoshr
Izvor:
Jennifer Chu (24. ožujka, 2022.) “Scientists develop the largest, most detailed model of the early universe to date,” MIT News
