[ad_1]
Все началось около 13,8 миллиардов лет назад с большого космологического «взрыва», который внезапно и эффектно породил Вселенную.
Вскоре после этого младенческая Вселенная резко остыла и полностью погрузилась во тьму.
Затем, через пару сотен миллионов лет после Большого взрыва, Вселенная проснулась, когда гравитация собрала материю в первые звезды и галактики.
Свет от этих первых звезд превратил окружающий газ в горячую ионизированную плазму — критическое преобразование, известное как космическая реионизация, которое превратило Вселенную в сложную структуру, которую мы видим сегодня.
Теперь ученые могут получить подробное представление о том, как могла развиваться Вселенная в этот поворотный период, с помощью новой симуляции, известной как Thesan, разработанной учеными из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и Института астрофизики Макса Планка.
Названный в честь этрусской богини утренней зари, 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 максимальной детализацией и в самом большом объеме по сравнению с любым предыдущим моделированием.
Это достигается путем объединения реалистичной модели формирования галактик с новым алгоритмом, который отслеживает взаимодействие света с газом, а также с моделью космической пыли.
С Thesan исследователи могут смоделировать кубический объем Вселенной, охватывающий 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 симуляции согласуются с теми немногими астрономическими наблюдениями за ранней Вселенной. По мере того, как в этот период будет проводиться больше наблюдений, например, с помощью недавно запущенного космического телескопа Джеймса Уэбба, Тесан может помочь поместить такие наблюдения в космический контекст.
На данный момент симуляции начинают проливать свет на определенные процессы, например, на то, как далеко может распространяться свет в ранней Вселенной и какие галактики были ответственны за реионизацию.
«Тесан действует как мост к ранней Вселенной», — говорит Аарон Смит, научный сотрудник NASA Einstein в Институте астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. «Он призван служить идеальным аналогом моделирования для будущих наблюдательных объектов, которые готовы коренным образом изменить наше понимание космоса».
Смит и Марк Фогельсбергер, адъюнкт-профессор физики в Массачусетском технологическом институте, Рахул Каннан из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и Энрико Гаральди из Max Planck представили симуляцию Thesan в трех статьях, третья из которых опубликована сегодня в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества. Общество.
Следуй за светом
На самых ранних стадиях космической реионизации Вселенная представляла собой темное и однородное пространство. Для физиков космическую эволюцию в эти ранние «темные века» рассчитать относительно просто.
«В принципе, вы могли бы решить это с помощью ручки и бумаги», — говорит Смит. «Но в какой-то момент гравитация начинает стягивать и сжимать материю, сначала медленно, а затем так быстро, что расчеты становятся слишком сложными, и нам приходится проводить полную симуляцию».
Чтобы полностью смоделировать космическую реионизацию, команда стремилась включить как можно больше основных компонентов ранней Вселенной.
Они начали с успешной модели формирования галактик, разработанной их группами ранее, под названием Illustris-TNG, которая, как было показано, точно моделирует свойства и население эволюционирующих галактик.
Затем они разработали новый код, учитывающий, как свет от галактик и звезд взаимодействует с окружающим газом и реионизует его — чрезвычайно сложный процесс, который другие симуляции не смогли точно воспроизвести в больших масштабах.
«Тесан следит за тем, 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».
Наконец, команда включила предварительную модель космической пыли — еще одну особенность, уникальную для подобных симуляций ранней Вселенной. Эта ранняя модель направлена на описание того, как крошечные частицы материала влияют на формирование галактик в ранней разреженной Вселенной.
Космический мост
Имея в наличии компоненты моделирования, команда установила начальные условия примерно на 400 000 лет после Большого взрыва, основываясь на точных измерениях реликтового света Большого взрыва.
Затем они развили эти условия во времени, чтобы смоделировать участок вселенной, используя машину SuperMUC-NG — один из крупнейших суперкомпьютеров в мире — который одновременно использовал 60 000 вычислительных ядер для выполнения вычислений Thesan на эквиваленте 30 миллионов процессоров. часов (для работы на одном рабочем столе потребовалось бы 3500 лет).
Моделирование дало самое подробное представление о космической реионизации в самом большом объеме пространства из всех существующих симуляций. В то время как некоторые симуляции моделируют большие расстояния, они делают это с относительно низким разрешением, в то время как другие, более подробные симуляции не охватывают большие объемы.
«Мы объединяем эти два подхода: у нас есть и большой объем, и высокое разрешение», — подчеркивает Фогельсбергер.
Ранний анализ симуляций предполагает, что к концу космической реионизации расстояние, которое свет смог пройти, увеличилось более резко, чем предполагали ученые ранее.
«Тесан обнаружил, что свет не распространяется на большие расстояния в ранней Вселенной, — говорит Каннан. «На самом деле это расстояние очень мало и становится большим только в самом конце реионизации, увеличиваясь в 10 раз всего за несколько сотен миллионов лет».
Исследователи также видят намеки на тип галактик, ответственных за реионизацию. Масса галактики, по-видимому, влияет на реионизацию, хотя команда говорит, что дополнительные наблюдения, проведенные Джеймсом Уэббом и другими обсерваториями, помогут определить эти доминирующие галактики.
«В машине много движущихся частей. [modeling cosmic reionization]”, – заключает Фогельсбергер. «Когда мы можем объединить все это в каком-то механизме и запустить его, и он создаст динамичную вселенную, это будет довольно полезным моментом для всех нас».
Это исследование было частично поддержано НАСА, Национальным научным фондом и Центром суперкомпьютеров Гаусса.
Автор Дженнифер Чу
Лучшие приватный отдых в Киеве на сайте sexkompas.org.