Колись наш Всесвіт був не чим іншим, як непрозорим, позбавленим світла морем неспокійного газу.
Проте на той час, коли Всесвіту виповнився мільярд років, усе змінилося. Випромінювання перших зірок і галактик спричинило драматичні зміни, дозволивши світлу вільно текти по всьому електромагнітному спектрі.
Нова симуляція, названа Тесаном на честь етруської богині ранкової зорі, дозволила вченим досліджувати Темні віки Всесвіту. Це новий інструмент для детального перегляду того, як могло спалахнути світло на Космічному Світанку.
“Тесан діє як міст до раннього Всесвіту”, – сказав фізик Аарон Сміт з Інституту астрофізики та космічних досліджень ім. Кавлі Массачусетського технологічного інституту. “Він покликаний служити ідеальним аналогом моделювання для майбутніх засобів спостереження, які готові докорінно змінити наше розуміння космосу”.
Ранній Всесвіт між 50 мільйонами і 1 мільярдом років після Великого Вибуху відомий як Космічний Світанок, час, коли Всесвіт, який ми його знаємо сьогодні, тільки починав збиратися з первинної плазми. До того, як з’явилися перші зірки, її було заповнено гарячим каламутним туманом іонізованого газу. Світло не могло вільно проходити крізь цей туман; він просто розсіював вільні електрони.
Як тільки Всесвіт досить остигнув, протони і електрони почали рекомбінувати в нейтральні атоми водню. Це означало, що світло нарешті могло подорожувати в космосі. Коли перші зірки і галактики почали формуватися приблизно через 150 мільйонів років після Великого вибуху, їхнє ультрафіолетове світло поступово повторно іонізувало нейтральний водень, всюдисущий у Всесвіті, що дозволило вільно поширюватися всьому спектру електромагнітного випромінювання. Це епоха реіонізації.
Приблизно через 1 мільярд років після Великого вибуху Всесвіт був повністю реіонізований.
Тесан починає з реалістичної моделі формування галактик, а також з нового алгоритму відтворення того, як світло взаємодіє з навколишнім газом та реіонізує його, а також з моделі космічного пилу.
Ці процеси та взаємодії дуже складні. Щоб змоделювати частину Всесвіту діаметром 300 мільйонів світлових років, від 400 000 до мільярда років після Великого вибуху, команда використала потужний суперкомп’ютер SuperMUC-NG.
За словами дослідників, отримана симуляція є найбільш докладним уявленням про епоху реіонізації, що відображає фізику в масштабах, в мільйон разів менших, ніж регіони, що моделюються. Це дає «безпрецедентний» погляд на те, як ранні галактики формувалися та взаємодіяли з газом раннього Всесвіту.
“Це трохи схоже на воду у формах для кубиків льоду: коли ви кладете її в морозильну камеру, це вимагає часу, але невдовзі вона починає замерзати по краях, а потім повільно розповзається”, – сказав Сміт. «Та сама ситуація була і в ранньому Всесвіті — це був нейтральний темний космос, який став яскравим та іонізованим, коли світло почало виходити з перших галактик».
Цікаво, що Тесан показав, що спочатку світло взагалі не поширюється дуже далеко. Тільки до кінця реіонізації світло вже могло долати великі відстані. Команда також побачила, які типи галактик спричинили найбільший вплив на реіонізацію, при цьому галактична маса відіграла велику роль.