Gökbilimciler, yeniden iyonlaşmanın erken evren çağının olağanüstü simülasyonlarını ortaya koyuyor

Karanlıkta titreyen ateşböceklerine benziyor. Yavaş yavaş, giderek daha fazla birikme, ekranı büyük parçalar ve kümeler halinde aydınlatıyor.

Ama bu böceklerle ilgili bir video değil. Evrenin tamamen karanlık bir yerden parlak, ışık dolu bir ortama dönüştüğü Büyük Patlama’dan bir zaman sonra, erken evrenin bir simülasyonu.

Çarpıcı video, konferansa kabul edilen bir dizi üç bildiride açıklanan geniş bir simülasyon paketinin parçası. Kraliyet Astronomi Derneği’nin Aylık Bildirimleri. Astrofizik Merkezi’ndeki araştırmacılar tarafından düzenlendi | Harvard & Smithsonian, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü ve Max Planck Astrofizik Enstitüsü, simülasyonlar, ilk galaksilerin oluşumunu ve yeniden iyonlaşmayı simüle etmede anıtsal bir ilerlemeyi temsil ediyor – uzaydaki nötr hidrojen atomlarının pozitif yüklü hale dönüştürüldüğü süreç veya iyonize, hidrojen, ışığın evrene yayılmasını sağlar.

Yeniden iyonlaşma çağı olarak bilinen simüle edilmiş dönem, yaklaşık 13 milyar yıl önce gerçekleşti ve yerçekimi, gaz ve radyasyon veya ışık arasındakiler de dahil olmak üzere son derece karmaşık, kaotik etkileşimleri içerdiğinden, yeniden yapılandırılması zordu.

Astrofizik Merkezi’nde astrofizikçi olan Rahul Kannan, “Çoğu astronomun deney yapacak laboratuvarları yok. Uzay ve zaman ölçekleri çok büyük, bu yüzden deney yapabilmemizin tek yolu bilgisayarlarda” diye açıklıyor. serideki ilk makalenin yazarı. “İlk evrende olanları simüle etmek için temel fizik denklemlerini ve yöneten teorik modelleri alabiliyoruz.”

Ekibin, Etrüsk şafak tanrıçasından sonra Thesan olarak adlandırılan simülasyonları, erken evrendeki etkileşimleri en yüksek ayrıntıyla ve önceki simülasyonların en büyük hacmiyle çözüyor. Erken evrendeki fizik, simüle edilen bölgelerden bir milyon kat daha küçük ölçeklerde yakalanır ve erken galaksilerin özellikleri ve bu galaksilerden gelen ışığın gazı nasıl etkilediği hakkında benzeri görülmemiş ayrıntılar sağlar.

Ekip bunu, gerçekçi bir galaksi oluşumu modelini, ışığın gazla nasıl etkileşime girdiğini izleyen yeni bir algoritmayla ve kozmik toz için bir modelle birleştirerek başarır.

Thesan ile araştırmacılar, 300 milyon ışıkyılı boyunca uzanan evrenimizin bir parçasını simüle edebilirler. Ekip, Big Bang’den yaklaşık 400.000 yıl sonra ve ilk milyar yıl boyunca bu uzaydaki yüz binlerce galaksinin ilk görünümünü ve evrimini izlemek ve görselleştirmek için simülasyonu zamanda ileriye doğru çalıştırabilir.

Simülasyonlar, evrende tamamen karanlıktan aydınlığa kademeli bir değişimi ortaya koyuyor.

Çalışmanın yazarlarından Aaron Smith, “Bu biraz buz kalıplarındaki suya benziyor; dondurucuya koyduğunuzda zaman alıyor, ancak bir süre sonra kenarlarda donmaya başlıyor ve sonra yavaşça içeri giriyor” diyor. MIT’nin Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü’nde NASA Einstein Üyesi. “Bu, erken evrendeki durumla aynıydı – ilk galaksilerden ışık çıkmaya başladıkça parlak ve iyonize hale gelen nötr, karanlık bir kozmostu.”

Simülasyonlar, Hubble Uzay Teleskobu gibi öncekilerden daha eskiye (yaklaşık 13,5 milyar yıl) bakabilecek olan James Webb Uzay Teleskobu’ndan (JWST) yapılan gözlemlere hazırlanmak için oluşturuldu.

Kannan, “JWST gibi çevrimiçi hale gelen birçok teleskop, bu çağı incelemek için özel olarak tasarlandı” diyor. “İşte burada simülasyonlarımız devreye giriyor; bu dönemin gerçek gözlemlerini yorumlamamıza ve ne gördüğümüzü anlamamıza yardımcı olacaklar.”

Ekip, gerçek teleskop gözlemleri ve verilerinin yakında Thesan simülasyonlarıyla karşılaştırılacağını açıklıyor.

MIT’de fizik doçenti olan çalışmanın ortak yazarı Mark Vogelsberger, “Ve bu ilginç kısım” diyor. “Ya Thesan simülasyonlarımız ve modelimiz, JWST’nin buldukları ile hemfikir olacak, bu da bizim evren resmimizi doğrulayacak ya da erken evren anlayışımızın yanlış olduğunu gösteren önemli bir anlaşmazlık olacaktır.”

Ancak ekip, galaksi özellikleri ve erken evrende ışığın soğurulması ve kaçışı da dahil olmak üzere çok çeşitli konuları kapsayacak ilk gözlemler devreye girene kadar modellerinin çeşitli yönlerinin nasıl olduğunu bilemeyecek.

Kannan, “Bildiklerimize dayalı simülasyonlar geliştirdik” diyor. “Ancak bilim topluluğu son yıllarda çok şey öğrenmiş olsa da, özellikle evrenin çok genç olduğu bu ilk zamanlarda, hala biraz belirsizlik var.”

Simülasyonlar, dünyanın en büyük süper bilgisayarlarından biri olan SuperMUC-NG kullanılarak 30 milyon CPU-saat boyunca oluşturuldu. Aynı simülasyonların normal bir bilgisayarda tamamlanması 3.500 yıldan fazla sürerdi.