Это похоже на мерцание светлячков в темноте. Медленно, все больше и больше накапливаются, освещая экран большими кусками и кластерами.
Но это не видео о насекомых. Это симуляция ранней Вселенной, времени после Большого взрыва, когда космос превратился из места полной тьмы в сияющую, наполненную светом среду.
Потрясающее видео является частью большого набора симуляций, описанных в серии из трех статей, принятых в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . Создано исследователями Центра астрофизики | Гарвардского и Смитсоновского институтов, Массачусетского технологического института и Института астрофизики Макса Планка, моделирование представляет собой монументальный прогресс в моделировании образования первых галактик и реионизации — процесса, посредством которого нейтральные атомы водорода в космосе превращались в положительно заряженные или ионизированный водород, позволяющий свету распространяться по Вселенной.
Смоделированный период, известный как эпоха реионизации, имел место около 13 миллиардов лет назад, и его было сложно реконструировать, поскольку он включает чрезвычайно сложные хаотические взаимодействия, в том числе между гравитацией, газом и излучением или светом.
«У большинства астрономов нет лабораторий для проведения экспериментов. Масштабы пространства и времени слишком велики, поэтому мы можем проводить эксперименты только на компьютерах», — объясняет Рахул Каннан, астрофизик Центра астрофизики и ведущий автор первой статьи серии. «Мы можем использовать основные уравнения физики и основные теоретические модели для моделирования того, что происходило в ранней Вселенной».
Моделирование команды, названное Thesan в честь этрусской богини утренней зари, разрешает взаимодействия в ранней вселенной с высочайшей детализацией и в самом большом объеме по сравнению с любым предыдущим моделированием. Физика ранней Вселенной фиксируется в масштабах, которые в миллион раз меньше, чем смоделированные регионы, что обеспечивает беспрецедентную детализацию свойств ранних галактик и того, как свет от этих галактик воздействовал на газ.
Команда достигает этого, комбинируя реалистичную модель формирования галактик с новым алгоритмом, который отслеживает, как свет взаимодействует с газом, а также с моделью космической пыли.
С Thesan исследователи могут смоделировать часть нашей Вселенной, охватывающую более 300 миллионов световых лет в поперечнике. Команда может запустить моделирование вперед во времени, чтобы отследить и визуализировать первое появление и эволюцию сотен тысяч галактик в этом пространстве, начиная примерно через 400 000 лет после Большого взрыва и в течение первого миллиарда лет.
Моделирование показывает постепенное изменение Вселенной от полной тьмы к свету.
«Это немного похоже на воду в лотках для кубиков льда: когда вы кладете его в морозильную камеру, это требует времени, но через некоторое время он начинает замерзать по краям, а затем медленно расползается», — говорит соавтор исследования Аарон Смит. научный сотрудник NASA Einstein в Институте астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института. «Та же ситуация была и в ранней Вселенной — это был нейтральный темный космос, который стал ярким и ионизированным, когда свет начал исходить из первых галактик».
Моделирование было создано для подготовки к наблюдениям с космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), который сможет заглянуть дальше во времени — примерно на 13,5 миллиардов лет — чем его предшественники, такие как космический телескоп Хаббла.
Эволюция смоделированных свойств в основном прогоне Thesan. Время идет слева направо. Темная материя (верхняя панель) коллапсирует в структуру космической паутины, состоящей из сгустков (ореолов), соединенных нитями, а газ (вторая панель сверху) следует за ней, коллапсируя, создавая галактики. Они производят ионизирующие фотоны, которые вызывают реионизацию космоса (третья панель сверху), нагревая при этом газ (нижняя панель). Кредит: Кредиты: THESAN Simulations
«Многие телескопы, которые появляются в сети, такие как JWST, специально предназначены для изучения этой эпохи», — говорит Каннан. «Именно здесь на помощь приходят наши симуляции; они помогут нам интерпретировать реальные наблюдения того периода и понять, что мы видим».
Команда объясняет, что вскоре реальные наблюдения и данные телескопа будут сравниваться с симуляциями Thesan.
«И это самое интересное», — говорит соавтор исследования Марк Фогельсбергер, адъюнкт-профессор физики Массачусетского технологического института. «Либо наши симуляции и модель Thesan согласуются с тем, что находит JWST, что подтвердит нашу картину Вселенной, либо будут значительные разногласия, показывающие, что наше понимание ранней Вселенной неверно».
Команда, однако, не будет знать, как обстоят дела с различными аспектами их модели, пока не начнутся первые наблюдения, которые будут охватывать широкий круг тем, включая свойства галактик, поглощение и испускание света в ранней Вселенной .
«Мы разработали модели, основанные на том, что нам известно, — говорит Каннан. «Но хотя научное сообщество многому научилось за последние годы, все еще остается некоторая неопределенность, особенно в те ранние времена, когда Вселенная была очень молода».
Моделирование было создано с использованием одного из крупнейших в мире суперкомпьютеров SuperMUC-NG в течение 30 миллионов часов ЦП. Для выполнения тех же симуляций на обычном компьютере потребовалось бы более 3500 лет.
