Nova računalna simulacija sada znanstvenicima pruža detaljan uvid u to kako su se iz tog razdoblja mogle razviti prve galaksije, zvijezde i druge strukture. Ishod je istraživanja čiji su rezultati objavljeni u časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Fizičari s MIT-a, Sveučilišta Harvard i drugih institucija izradili su Luminu, opsežnu simulaciju visoke razlučivosti koja prati rani svemir od mračnog doba kroz dvije milijarde godina kozmičke evolucije.
Lumina obuhvaća golemo područje ranog svemira koje se proteže na 500 megaparseka, odnosno oko 1,6 milijardi svjetlosnih godina. Unutar tog prostora simulacija prati razvoj tamne tvari, plina, zvijezda i zračenja (poput fotona) na golemim kozmičkim razmjerima, istovremeno omogućujući uvid u detalje pojedinačne galaksije u nastajanju.
Dvije ključne preobrazbe
Lumina bilježi pojavu dviju ogromnih preobrazbi u kozmičkoj povijesti: reionizaciju vodika i reionizaciju helija.
Reionizacija vodika razdoblje je u kojem su prve zvijezde emitirale dovoljno ultraljubičastog zračenja kako bi ono stupilo u interakciju s neutralnim vodikom i “otkinulo” mu elektron. Taj proces spriječio je vodik u apsorbiranju fotona, čime je svjetlosti omogućeno slobodno širenje. Reionizacija vodika pomogla je u uklanjanju zastora od neutralnog vodika.
Simulacija također prati reionizaciju helija, sličan proces pri kojem svjetlost znatno veće energije razgrađuje neutralni helij. U detaljnim simulacijama Lumina je otkrila kako je reionizaciju vodika vjerojatno potaknula svjetlost ranih galaksija i zvijezda. S druge strane, reionizaciju helija pokretale su mnogo energetičnije rane supermasivne crne rupe tijekom svojih aktivnih faza, u kojima su prikupljale (akretirale) okolnu tvar.
Lumina je dostupna znanstvenicima kako bi mogli usporediti njezine detaljne simulacije razvoja ranih kozmičkih struktura sa snimkama koje su zabilježili novi teleskopi, kao i onima koje će tek zabilježiti budući teleskopi. Na taj bi način mogli početi slagati slagalicu o procesima koji su oblikovali prve galaksije, zvijezde i strukture u svemiru.
U središtu Lumine nalazi se IllustrisTNG, sustav koji su prethodno razvili znanstvenici s MIT-ja i drugih institucija, uključujući članove tima koji stoji iza Lumine. IllustrisTNG je simulacija velikih razmjera koja prati interakcije tamne tvari i plina, kao i druge procese uključene u formiranje galaksija od Velikog praska do danas.
Pri izradi Lumine, tim je doradio kod sustava IllustrisTNG kako bi simulacija mogla pratiti formiranje galaksija s istom razinom detalja, ali u znatno većem prostoru. Ovaj su napredniji model galaksija kombinirali s modelom prijenosa zračenja, koji simulira kako različiti oblici zračenja – poput ultraljubičaste svjetlosti – međudjeluju na iznimno velikim, kozmičkim razmjerima, omogućujući prikaz procesa kao što je reionizacija vodika.
U planu mapiranje ranog svemira
Nova i poboljšana simulacija prikazuje iznimno sitne detalje na golemim prostornim razmjerima. U praksi, simulacija obuhvaća pola bilijuna pojedinačnih elemenata, uključujući čestice tamne tvari i ćelije plina, što znači kako ima oko 30 puta veću razlučivost od simulacije IllustrisTNG. Lumina bilježi sve te detalje i prati njihov razvoj kroz vrijeme na golemom području čiji je obujam 100 puta veći od onoga u prethodnim simulacijama.
Izvođenje proračuna za svaku pojedinu ćeliju tijekom dvije milijarde godina kozmičkog vremena, kroz iznimno velike i vrlo male razmjere, zahtijeva značajnu računalnu snagu. Tim je pokrenuo Luminu na superračunalu Frontier, smještenom u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge u Tennesseeju (SAD). Pri najvećem opsegu, izračun objedinjuje ekvivalent od više od 100 tisuća procesorskih jezgri i oko 15 tisuća grafičkih procesora.
Lumina započinje svoje simulacije otprilike 45 milijuna godina nakon Velikog praska, kada je neutralni vodik prevladavao u ranom svemiru. Istraživači su postavili simulaciju s početnim uvjetima koji približno odgovaraju onome za što fizičari pretpostavljaju kako je postojalo u tom mračnom kozmičkom razdoblju.
Zatim su pokrenuli Luminu kako bi izračunali na koji način materija u to doba – u obliku plina i tamne tvari – međudjeluje unutar pola bilijuna ćelija simulacije. Istovremeno, simulacija izračunava gdje i kako nastaje zračenje, poput ultraljubičaste svjetlosti zvijezda te kako ono stupa u interakciju s okolinom.
Na web stranici projekta dostupan je niz videozapisa koji prikazuju različite razmjere, vremenska razdoblja, fizikalne procese i slojeve kozmičkih struktura koje Lumina simulira. Primjeri uključuju zumiranje od velikog dijela svemira do pojedinačne galaksije u obliku diska, kao i vremenski prikaz (time-lapse) cjelokupnog promatranog prostora tijekom više od dvije milijarde godina, koji bilježi raspored vodika dok on s vremenom ponovno prelazi u ionizirano stanje.
U budućnostitim planira primijeniti Luminu za mapiranje strukture ranog svemira u velikim razmjerima. Simulacija također može pomoći u predviđanju obrazaca gravitacijskih valova koje bi mogle stvarati rane galaksije i crne rupe.
