(Thesan-Zusammenarbeit) Es gab eine Zeit, in der unser Universum nichts weiter war als ein undurchsichtiges, lichtloses Meer aus wirbelndem Gas.
Als das Universum jedoch eine Milliarde Jahre alt war, hatte sich alles geändert. Die Strahlung der ersten Sterne und Galaxien führte zu einer dramatischen Veränderung, die es dem Licht ermöglichte, ungehindert über das gesamte elektromagnetische Spektrum zu strömen.
Eine neue Simulation mit dem Namen Thesan nach der etruskischen Göttin der Morgenröte hat es Wissenschaftlern ermöglicht, die dunklen Zeitalter des Universums zu erforschen. Es ist ein neues Werkzeug, um im Detail zu sehen, wie die Lichter bei der kosmischen Morgendämmerung eingeschaltet wurden. Und es ist absolut wunderschön.
„Thesan fungiert als Brücke zum frühen Universum“ sagte der Physiker Aaron Smith vom Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung des MIT. „Es soll als ideales Simulationsgegenstück für künftige Beobachtungseinrichtungen dienen, die unser Verständnis des Kosmos grundlegend verändern werden.“
Das meiste, was wir über das Universum wissen, haben wir aus dem Licht gelernt (mit der bemerkenswerten Ausnahme von Gravitationswellen , ein Gebiet der Astronomie, das noch in den Kinderschuhen steckt). Wenn also das Licht auf irgendeine Weise behindert wird, verursacht das ziemliche Probleme; Schauen Sie einfach hin (oder schauen Sie nicht hin, je nachdem). Schwarze Löcher , die keine nachweisbare Strahlung aussenden.
Das frühe Universum zwischen 50 Millionen und 1 Milliarde Jahren nach dem Urknall ist ein weiterer solcher Fall. Diese Periode ist als kosmische Morgendämmerung bekannt, die Zeit, in der das Universum, wie wir es heute kennen, gerade erst begann, aus dem Urplasma zusammenzuwachsen. Bevor die ersten Sterne auftauchten, war er mit einem heißen, trüben Nebel aus ionisiertem Gas gefüllt. Das Licht konnte sich durch diesen Nebel nicht ungehindert bewegen; es streute einfach freie Elektronen ab.
Sobald das Universum ausreichend abgekühlt war, begannen Protonen und Elektronen, sich zu neutralen Wasserstoffatomen zu rekombinieren. Dies bedeutete, dass Licht endlich durch den Weltraum reisen konnte. Als sich etwa 150 Millionen Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne und Galaxien zu bilden begannen, reionisierte ihr ultraviolettes Licht nach und nach den im gesamten Universum allgegenwärtigen neutralen Wasserstoff, sodass das gesamte Spektrum elektromagnetischer Strahlung ungehindert strömen konnte. Dies ist die Epoche der Reionisierung.
Etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall war das Universum vollständig reionisiert; Früher als diese 1-Milliarde-Jahre-Marke können wir jedoch mit unseren aktuellen Instrumenten nicht wirklich sehen, was es schwierig macht, diese entscheidende kosmische Morgendämmerung zu verstehen.
„Die meisten Astronomen haben keine Labore, in denen sie Experimente durchführen können. Die Skalen von Raum und Zeit sind zu groß, daher können wir Experimente nur am Computer durchführen.“ sagte der Astrophysiker Rahul Kannan vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
„Wir sind in der Lage, anhand grundlegender physikalischer Gleichungen und maßgeblicher theoretischer Modelle zu simulieren, was im frühen Universum geschah.“
Thesan beginnt mit einem realistischen Modell der Galaxienentstehung, zusammen mit einem neuen Algorithmus zur Reproduktion, wie Licht mit dem umgebenden Gas interagiert und es reionisiert, sowie einem Modell des kosmischen Staubs.
Diese Prozesse und Wechselwirkungen sind sehr kompliziert; Um einen Abschnitt des Universums mit einem Durchmesser von 300 Millionen Lichtjahren zu simulieren, von 400.000 bis zu einer Milliarde Jahre nach dem Urknall, nutzte das Team einen leistungsstarken Supercomputer, die SuperMUC-NG-Maschine, die zum Betrieb von Thesan umgerechnet 30 Millionen CPU-Stunden verbrauchte.
Die resultierende Simulation ist die bisher detaillierteste Ansicht der Epoche der Reionisierung und erfasst die Physik in Maßstäben, die eine Million Mal kleiner sind als die simulierten Regionen, sagten die Forscher. Dies gibt einen „beispiellosen“ Einblick in die Art und Weise, wie frühe Galaxien entstanden und mit dem Gas des frühen Universums interagierten. Es zeigt eine allmähliche Veränderung, wenn Licht durch das Universum zu dringen beginnt.
„Es ist ein bisschen wie Wasser in Eiswürfelbehältern; „Wenn man es in den Gefrierschrank stellt, dauert es zwar einige Zeit, aber nach einer Weile fängt es an, an den Rändern zu gefrieren und schleicht sich dann langsam ein“, sagte Smith . „Das war die gleiche Situation im frühen Universum – es war ein neutraler, dunkler Kosmos, der hell und ionisiert wurde, als Licht aus den ersten Galaxien auszutreten begann.“
Interessanterweise zeigte Thesan, dass Licht anfangs überhaupt keine große Strecke zurücklegt. Erst gegen Ende der Reionisierung kann Licht große Entfernungen zurücklegen. Das Team untersuchte auch, welche Arten von Galaxien den größten Einfluss auf die Reionisierung hatten, wobei die galaktische Masse eine große Rolle spielte.
Wir werden auch nicht lange warten müssen, um herauszufinden, wie genau die Simulation ist. Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) soll in wenigen Monaten den wissenschaftlichen Betrieb aufnehmen und ist teilweise darauf ausgelegt, einen Blick zurück in die Zeit rund 300.000 Jahre nach dem Urknall zu werfen, als die Reionisierung in vollem Gange war.
„Und das ist das Interessante daran“, sagte der Physiker Mark Vogelsberger des MIT.
„Entweder werden unsere Thesan-Simulationen und unser Modell mit den Ergebnissen des JWST übereinstimmen, was unser Bild vom Universum bestätigen würde, oder es wird eine erhebliche Meinungsverschiedenheit bestehen, die zeigt, dass unser Verständnis des frühen Universums falsch ist.“
So oder so werden wir etwas sehr Spannendes über die mysteriöse Geburt und die frühen Jahre unseres erstaunlichen Universums erfahren.
Die Forschung wurde im veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society .