يعرض الفيديو المذهل أكبر محاكاة وأكثرها تفصيلاً للكون المبكر حتى الآن

مقطع صغير لمحاكاة Thesan. انظر الفيديو في المادة أدناه.

سميت على اسم إلهة الفجر ، محاكاة ثيسان للمليار سنة الأولى تساعد في تفسير كيف شكل الإشعاع الكون المبكر.

بدأ كل شيء منذ حوالي 13.8 مليار سنة “بانفجار” كوني كبير أوجد الكون فجأة وبشكل مذهل. بعد فترة وجيزة ، برد الكون الرضيع بشكل كبير وأصبح مظلمًا تمامًا.

ثم ، في غضون بضع مئات من ملايين السنين بعد[{” 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.

https://www.youtube.com/watch؟v=17iLOLn9znY
تظهر محاكاة هذه لتطور الغاز والإشعاع تجسيد غاز الهيدروجين المحايد. تمثل الألوان الكثافة والسطوع ، وتكشف عن بنية إعادة التأين غير المكتملة داخل شبكة من خيوط الغاز المحايدة عالية الكثافة.

الجسر الكوني

مع وجود مكونات المحاكاة في مكانها الصحيح ، حدد الفريق شروطه الأولية لنحو 400000 عام بعد الانفجار العظيم ، بناءً على قياسات دقيقة لضوء بقايا الانفجار العظيم. قاموا بعد ذلك بتطوير هذه الظروف إلى الأمام في الوقت المناسب لمحاكاة رقعة من الكون ، باستخدام آلة SuperMUC-NG – واحدة من أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم – والتي سخرت في الوقت نفسه 60.000 نواة حاسوبية لتنفيذ حسابات Thesan على ما يعادل 30 مليون وحدة معالجة مركزية. ساعة (وهو جهد كان سيستغرق 3500 عام لتشغيله على سطح مكتب واحد).

أنتجت عمليات المحاكاة العرض الأكثر تفصيلاً لإعادة التأين الكوني ، عبر أكبر حجم من الفضاء ، لأي محاكاة موجودة. في حين أن بعض نماذج المحاكاة عبر مسافات كبيرة ، فإنها تفعل ذلك بدقة منخفضة نسبيًا ، بينما لا تمتد عمليات المحاكاة الأخرى الأكثر تفصيلاً على أحجام كبيرة.

يؤكد Vogelsberger: “إننا نجتاز بين هذين الأسلوبين: لدينا حجم كبير ودقة عالية”.

تشير التحليلات المبكرة لعمليات المحاكاة إلى أنه في نهاية إعادة التأين الكوني ، زادت المسافة التي تمكن الضوء من السفر بشكل كبير أكثر مما افترضه العلماء سابقًا.

يقول كانان: “وجد Thesan أن الضوء لا يسافر مسافات كبيرة في وقت مبكر من الكون”. “في الواقع ، هذه المسافة صغيرة جدًا ، ولا تصبح كبيرة إلا في نهاية إعادة التأين ، حيث تزداد بمقدار 10 مرات خلال بضع مئات من ملايين السنين فقط.”

يرى الباحثون أيضًا تلميحات عن نوع المجرات المسؤولة عن إعادة التأين. يبدو أن كتلة المجرة تؤثر على إعادة التأين ، على الرغم من أن الفريق يقول إن المزيد من الملاحظات ، التي أخذها جيمس ويب والمراصد الأخرى ، ستساعد في تحديد هذه المجرات السائدة.

“هناك الكثير من الأجزاء المتحركة في [modeling cosmic reionization]”، يختتم فوغيلسبيرجر. “عندما نتمكن من وضع كل هذا معًا في نوع من الآلات والبدء في تشغيله وينتج عنه كونًا ديناميكيًا ، فهذه بالنسبة لنا جميعًا لحظة مجزية للغاية.”

المرجع: “المشروع هذا: انبعاث ونقل ليمان-أ خلال حقبة إعادة التأين” بقلم أ سميث ، آر كانان ، إي غارالدي ، إم فوغيلسبيرغر ، آر باكمور ، في سبرينغل وإل هيرنكويست ، 24 مارس 2022 ، الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
DOI: 10.1093 / mnras / stac713

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل وكالة ناسا والمؤسسة الوطنية للعلوم ومركز غاوس للحوسبة الفائقة.