Ошеломляющее новое моделирование показывает, как свет появился в нашей Вселенной

Было время, когда наша Вселенная представляла собой лишь непрозрачное, беспросветное море клубящегося газа.

Однако к тому времени, когда возраст Вселенной достиг миллиарда лет, все изменилось. Излучение первых звезд и галактик произвело кардинальные изменения, позволив свету свободно распространяться по всему электромагнитному спектру.

Новая симуляция, названная Тесан в честь этрусской богини рассвета, позволила ученым исследовать темные века Вселенной. Это новый инструмент для детального изучения того, как свет мог включиться во время космического рассвета. И он абсолютно прекрасен.

"Тесан действует как мост к ранней Вселенной", - говорит физик Аарон Смит из Института астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института. "Он призван служить идеальным имитационным аналогом для предстоящих наблюдений, которые могут в корне изменить наше понимание космоса".

Большую часть того, что мы знаем о Вселенной, мы узнали благодаря свету (за исключением гравитационных волн - области астрономии, которая все еще находится в зачаточном состоянии). Поэтому, когда свету препятствуют каким-то образом, это создает некоторые проблемы; достаточно посмотреть (или не смотреть, в зависимости от ситуации) на черные дыры, которые не испускают никакого обнаруживаемого 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 формироваться из первобытной плазмы. До появления первых звезд она была заполнена горячим мутным туманом ионизированного газа. Свет не мог свободно проходить через этот туман; он просто рассеивался от свободных электронов.

Когда Вселенная достаточно остыла, протоны и электроны начали рекомбинировать в нейтральные атомы водорода. Это означало, что свет наконец-то может путешествовать в пространстве. Когда примерно через 150 миллионов лет после Большого взрыва начали формироваться первые звезды и галактики, их ультрафиолетовый свет постепенно реионизировал нейтральный водород, вездесущий во всей Вселенной, позволяя всему спектру электромагнитного излучения свободно распространяться. Это эпоха реионизации.

Примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва Вселенная была полностью реионизована; однако раньше, чем через 1 миллиард лет, мы не можем наблюдать с помощью наших современных приборов, что затрудняет понимание этой критической космической зари.

"У большинства астрономов нет лабораторий, в которых можно проводить эксперименты. Масштабы пространства и времени слишком велики, поэтому единственный способ проводить эксперименты - это компьютеры", - говорит астрофизик Рахул Каннан из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.

"Мы можем взять основные физические уравнения и управляющие теоретические модели, чтобы смоделировать то, что произошло в ранней Вселенной".

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

Эти процессы и взаимодействия очень сложны; чтобы смоделировать участок Вселенной размером 300 миллионов световых лет, от 400 000 до миллиарда лет после Большого взрыва, команда использовала мощный суперкомпьютер, машину SuperMUC-NG, которая использовала эквивалент 30 миллионов процессорных часов для запуска Thesan.

По словам исследователей, полученное моделирование представляет собой наиболее подробное представление об Эпохе реионизации, отражающее физику в масштабах в миллион раз меньших, чем моделируемые области. 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.

"Это немного похоже на воду в лотках с кубиками льда; когда вы кладете ее в морозильник, это занимает время, но через некоторое время она начинает замерзать по краям, а затем медленно проникает внутрь", - сказал Смит. "Такая же ситуация была в ранней Вселенной - это был нейтральный, темный космос, который стал ярким и ионизированным, когда свет начал появляться из первых галактик".

Интересно, что Тесан показал, что первоначально свет вообще не распространяется очень далеко. Только к концу реионизации свет способен преодолевать большие расстояния. Команда также увидела, какие типы галактик оказывают наибольшее влияние на реионизацию, причем большую роль играет галактическая масса.

Нам не придется долго ждать, чтобы узнать, насколько точной оказалась симуляция. Космический телескоп Джеймса Вебба (JWST) должен начать научные исследования через несколько месяцев, и он частично предназначен для того, чтобы заглянуть в прошлое примерно через 300 000 лет после Большого взрыва, когда реионизация была в самом разгаре.

"И это самое интересное", - сказал физик Марк Фогельсбергер из Массачусетского технологического института.

"Либо наши симуляции и модель Тезана согласуются с тем, что обнаружит JWST, что подтвердит нашу картину Вселенной, либо будет значительное расхождение, показывающее, что наше понимание ранней Вселенной неверно".

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