Thesan simülasyonundan küçük bir klip. Aşağıdaki makaledeki videoya bakın.
Adını bir şafak tanrıçasından alan, ilk milyar yılın Thesan simülasyonu, radyasyonun erken evreni nasıl şekillendirdiğini açıklamaya yardımcı oluyor.
Her şey yaklaşık 13,8 milyar yıl önce, evreni aniden ve muhteşem bir şekilde var eden büyük, kozmolojik bir “patlama” ile başladı. Kısa bir süre sonra, bebek evren çarpıcı biçimde soğudu ve tamamen karardı.
Ardından, birkaç yüz milyon yıl sonra[{” 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.
Gaz ve radyasyon evriminin Thesan simülasyonu, nötr hidrojen gazının işlenmesini gösterir. Renkler, yoğunluğu ve parlaklığı temsil ederek, yüksek yoğunluklu nötr gaz filamentlerinden oluşan bir ağ içindeki düzensiz yeniden iyonlaşma yapısını ortaya çıkarır.
kozmik köprü
Simülasyonun bileşenleri yerindeyken, ekip, Big Bang’den gelen kalıntı ışığın hassas ölçümlerine dayanarak, Big Bang’den sonraki yaklaşık 400.000 yıl için başlangıç koşullarını belirledi. Daha sonra, dünyanın en büyük süper bilgisayarlarından biri olan SuperMUC-NG makinesini kullanarak evrenin bir parçasını simüle etmek için bu koşulları zamanda ileriye doğru geliştirdiler ve Thesan’ın hesaplamalarını 30 milyon CPU’ya eşdeğer bir şekilde gerçekleştirmek için eşzamanlı olarak 60.000 bilgi işlem çekirdeğinden yararlandılar. saat (tek bir masaüstünde çalışması 3.500 yıl sürecek bir çaba).
Simülasyonlar, mevcut herhangi bir simülasyonun en büyük uzay hacminde kozmik yeniden iyonlaşmanın en ayrıntılı görünümünü üretti. Bazı simülasyonlar büyük mesafeler boyunca modelleme yaparken, bunu nispeten düşük çözünürlükte yaparken, daha ayrıntılı simülasyonlar büyük hacimleri kapsamaz.
Vogelsberger, “Bu iki yaklaşımı birleştiriyoruz: Hem büyük hacme hem de yüksek çözünürlüğe sahibiz” diye vurguluyor.
Simülasyonların ilk analizleri, kozmik yeniden iyonlaşmanın sonuna doğru, ışığın seyahat edebildiği mesafenin, bilim adamlarının daha önce varsaydığından daha çarpıcı bir şekilde arttığını gösteriyor.
Kannan, “Thesan, ışığın evrenin erken dönemlerinde büyük mesafeler kat etmediğini keşfetti” diyor. “Aslında, bu mesafe çok küçüktür ve yalnızca yeniden iyonlaşmanın en sonunda büyür, sadece birkaç yüz milyon yılda 10 kat artar.”
Araştırmacılar ayrıca yeniden iyonlaşmayı sağlamaktan sorumlu olan gökada türlerinin ipuçlarını da görüyorlar. Ekip, James Webb ve diğer gözlemevleri tarafından alınan daha fazla gözlemin bu baskın galaksileri tespit etmeye yardımcı olacağını söylese de, bir galaksinin kütlesi yeniden iyonlaşmayı etkiliyor gibi görünüyor.
“İçeride çok fazla hareketli parça var. [modeling cosmic reionization]”, Vogelsberger bitiriyor. “Bütün bunları bir tür makinede bir araya getirip çalıştırmaya başladığımızda ve dinamik bir evren oluşturduğumuzda, bu hepimiz için oldukça tatmin edici bir andır.”
Referans: A Smith, R Kannan, E Garaldi, M Vogelsberger, R Pakmor, V Springel ve L Hernquist tarafından “Thesan projesi: Lyman-a emisyon ve Reionization Epoch Döneminde aktarım”, 24 Mart 2022, Kraliyet Astronomi Derneği’nin Aylık Bildirimleri.
DOI: 10.1093/mnras/stac713
Bu araştırma kısmen NASA, Ulusal Bilim Vakfı ve Gauss Süper Hesaplama Merkezi tarafından desteklendi.