Новая симуляция показывает, как возник свет в нашей Вселенной

Было время, когда наша Вселенная была не чем иным, как непрозрачным, лишенным света морем бурлящего газа.

Однако к тому времени, когда Вселенной исполнился миллиард лет, все изменилось. Излучение первых звезд и галактик вызвало драматические изменения, позволив свету свободно течь по всему электромагнитному спектру.

Новая симуляция, названная Тесан в честь этрусской богини утренней зари, позволила ученым исследовать Темные века Вселенной. Это новый инструмент для детального просмотра, как мог зажечься свет.

Большую часть того, что мы знаем о Вселенной, мы узнали из света (за заметным исключением гравитационных волн, области астрономии, все еще находящейся в зачаточном состоянии). Итак, когда свет каким-то образом затруднен, это вызывает довольно много проблем; просто смотрите (или не смотрите, в зависимости от обстоятельств) на черные дыры, которые не испускают заметного излучения.

Ранняя Вселенная между 50 миллионами и 1 миллиардом лет после Большого взрыва — еще один такой случай. Этот период известен как Космический Рассвет, время, когда Вселенная, какой мы ее знаем сегодня, только начинала собираться из первичной плазмы. До того, как появились первые звезды, она была заполнена горячим мутным туманом ионизированного газа. Свет не мог свободно проходить сквозь этот туман; он просто рассеивал свободные электроны.

Как только Вселенная достаточно остыла, протоны и электроны начали рекомбинировать в нейтральные атомы водорода. Это означало, что свет, наконец, мог путешествовать в космосе. Когда первые звезды и галактики начали формироваться примерно через 150 миллионов лет после Большого взрыва, их ультрафиолетовый свет постепенно повторно ионизировал нейтральный водород, вездесущий во Вселенной, что позволило свободно распространяться всему спектру электромагнитного излучения. Это эпоха реионизации.

Примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва Вселенная была полностью реионизирована; Однако раньше, чем эта отметка в 1 миллиард лет, мы не можем видеть с помощью наших нынешних инструментов, что затрудняет понимание критической Космической Зари.

Тесан начинает с реалистичной модели формирования галактик, а также с нового алгоритма воспроизведения того, как свет взаимодействует с окружающим газом и реионизирует его, а также с модели космической пыли.

Эти процессы и взаимодействия очень сложны; чтобы смоделировать часть Вселенной диаметром 300 миллионов световых лет, от 400 000 до миллиарда лет после Большого взрыва, команда использовала мощный суперкомпьютер SuperMUC-NG, который использовал эквивалент 30 миллионов часов ЦП для запуска Thesan.

По словам исследователей, полученная симуляция является наиболее подробным представлением эпохи реионизации, отражающим физику в масштабах, в миллион раз меньших, чем моделируемые регионы. Это дает «беспрецедентный» взгляд на то, как ранние галактики формировались и взаимодействовали с газом ранней Вселенной. Он показывает постепенное изменение по мере того, как свет начинает просачиваться через Вселенную.

Интересно, что Тесан показал, что изначально свет вообще не распространяется очень далеко. Только к концу реионизации свет может преодолевать большие расстояния. Команда также увидела, какие типы галактик оказали наибольшее влияние на реионизацию, при этом галактическая масса играла большую роль.

Нам также не придется долго ждать, чтобы узнать, насколько точна симуляция. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) должен начать научную работу через несколько месяцев и частично предназначен для того, чтобы заглянуть в прошлое примерно через 300 000 лет после Большого взрыва, когда реионизация шла полным ходом.

В любом случае, мы узнаем кое-что очень интересное о загадочном рождении и ранних годах нашей удивительной Вселенной.

Исследование было опубликовано в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.