Deze verbluffende video toont de grootste en meest gedetailleerde simulatie van het vroege heelal tot nu toe

Thesans simulaties van de eerste miljard jaar, genoemd naar de dageraadgodin, helpen verklaren hoe straling het vroege heelal heeft gevormd.

Het begon allemaal ongeveer 13,8 miljard jaar geleden met de grote kosmische “knal” die plotseling en verbazingwekkend het universum creëerde. Al snel koelde het baby-universum dramatisch af en werd volledig donker.

Dan, binnen een paar honderd miljoen jaar daarna…[{” 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.

Deze simulatie van gasontwikkeling en straling toont een uitvoeringsvorm van neutraal waterstofgas. De kleuren vertegenwoordigen intensiteit en helderheid en onthullen de onvolledige re-ionisatiestructuur binnen een netwerk van neutrale gasfilamenten met een hoge dichtheid.

kosmische brug

Met de simulatiecomponenten op hun plaats bepaalde het team de beginomstandigheden voor ongeveer 400.000 jaar na de oerknal, op basis van nauwkeurige metingen van het resterende licht van de oerknal. Vervolgens ontwikkelden ze deze omstandigheden in de tijd om een ​​strook van het universum te simuleren, met behulp van de SuperMUC-NG-machine – een van ’s werelds grootste supercomputers – die tegelijkertijd 60.000 computerkernen gebruikte om Thesan-berekeningen uit te voeren op het equivalent van 30 miljoen CPU’s. een uur (een inspanning die 3.500 jaar zou hebben gekost om op een enkele desktop te draaien).

De simulaties produceerden het meest gedetailleerde beeld van kosmische reïonisatie, over het grootste volume van de ruimte, van alle bestaande simulaties. Hoewel sommige simulaties over grote afstanden lopen, doen ze dat met een relatief lage resolutie, terwijl andere, meer gedetailleerde simulaties geen grote afmetingen hebben.

“We schakelen tussen deze twee benaderingen: we hebben een hoog volume en een hoge precisie”, benadrukt Vogelsberger.

Vroege analyses van de simulaties geven aan dat aan het einde van de kosmische reïonisatie de afstand waarmee licht kan reizen aanzienlijk meer is toegenomen dan wetenschappers eerder hadden aangenomen.

“Thesan ontdekte dat licht in het vroege heelal geen grote afstanden aflegt”, zegt Canan. “In feite is deze afstand erg klein en wordt hij pas groot aan het einde van de reïonisatie, en neemt in slechts een paar honderd miljoen jaar 10 keer toe.”

Onderzoekers zien ook hints over het type sterrenstelsels dat verantwoordelijk is voor reïonisatie. De massa van de melkweg lijkt de reïonisatie te beïnvloeden, hoewel het team zegt dat meer waarnemingen, gemaakt door James Webb en andere observatoria, zullen helpen deze dominante sterrenstelsels te identificeren.

“Er zitten veel bewegende delen in [modeling cosmic reionization]’, concludeert Vogelsberger: “Als we dit allemaal in een soort machine kunnen samenvoegen en deze kunnen laten draaien, wat resulteert in een dynamisch universum, is dat voor ons allemaal een zeer lonend moment.”

Referentie: “This Project: Lyman-A Emission and Transfer during the Reionization Era” door A Smith, R. Cannan, E. Garaldi, M. Vogelsberger, R. Buckmore, in Sprinkle en L. Hernquist, 24 maart 2022 Hier beschikbaar Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stac713

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door NASA, de National Science Foundation en het Gauss Center for Supercomputing.