Невеликий кліп для моделювання Thesan. Дивіться відео в статті нижче.
Названі на честь богині світанку, моделювання Тесан за перший мільярд років допомагають пояснити, як радіація сформувала ранній Всесвіт.
Все почалося близько 13,8 мільярдів років тому з величезного космічного «вибуху», який раптово і дивовижно створив Всесвіт. Незабаром дитячий Всесвіт різко охолов і став повністю темним.
Потім, через кілька сотень мільйонів років[{” 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.
Це моделювання виділення газу та випромінювання показує втілення нейтрального газоподібного водню. Кольори представляють інтенсивність і яскравість, виявляючи неповну реіонізаційну структуру в мережі високо щільних нейтральних газових ниток.
космічний міст
За допомогою компонентів моделювання команда визначила його початкові умови протягом приблизно 400 000 років після Великого Вибуху, грунтуючись на точних вимірюваннях залишкового світла Великого Вибуху. Потім вони розробили ці умови вперед в часі, щоб змоделювати частину Всесвіту, використовуючи машину SuperMUC-NG – один з найбільших суперкомп’ютерів у світі, який одночасно використовував 60 000 комп’ютерних ядер для виконання обчислень Thesan на еквіваленті 30 мільйонів процесорів. годину (зусилля, для роботи якого на одному робочому столі знадобилося б 3500 років).
Моделювання дало найбільш детальне уявлення про космічну реіонізацію в найбільшому просторі будь-якого існуючого моделювання. Хоча деякі моделювання виконуються на великі відстані, вони роблять це з відносно низькою роздільною здатністю, тоді як інші, більш детальні моделювання не охоплюють великих розмірів.
«Ми переходимо між цими двома підходами: у нас великий обсяг і висока точність», — підкреслює Фогельсбергер.
Ранні аналізи моделювання показують, що наприкінці космічної реіонізації відстань, яку міг пройти світло, збільшилася значно більше, ніж припускали вчені.
«Тесан виявив, що світло не проходить великі відстані в ранньому Всесвіті», — каже Канан. «Насправді ця відстань дуже мала, і вона стає великою лише наприкінці реіонізації, збільшуючись у 10 разів лише за кілька сотень мільйонів років».
Дослідники також бачать натяки на тип галактик, відповідальних за реіонізацію. Здається, маса галактики впливає на реіонізацію, хоча команда каже, що більше спостережень, зроблених Джеймсом Веббом та іншими обсерваторіями, допоможуть ідентифікувати ці домінантні галактики.
«Всередині багато рухомих частин [modeling cosmic reionization]– підсумовує Фогельсбергер. «Коли ми можемо об’єднати все це в якусь машину та почати її запускати, що приведе до динамічного всесвіту, це дуже корисний момент для всіх нас».
Посилання: «Наступний проект: випромінювання та перенесення Lyman-A під час ери реіонізації» А. Сміта, Р. Кеннана, Е. Гаральді, М. Фогельсбергера, Р. Бакмора, в Sprinkle і L. Hernquist, 24 березня 2022 р., доступно тут. Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства.
DOI: 10.1093/mnras/stac713
Це дослідження частково підтримали NASA, Національний науковий фонд і Центр суперкомп’ютерів Гаусса.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
