Cum „s-au aprins” luminile din Univers? O nouă simulare răspunde la această întrebare

A fost odată o vreme în care luminile din Univers nu existau și totul era doar o întindere opacă de gaz învolburat.

Însă până ca Universul să ajungă la vârsta de 1 miliard de ani, totul s-a schimbat. Radiația primelor stele și galaxii s-a întins în tot spectrul electromagnetic și a aprins luminile din Univers.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

O nouă simulare, numită Thesan, după zeița etruscă a zorilor, le-a permis oamenilor de știință să cerceteze Evul întunecat al Universului. Aceasta este un instrument nou pentru a vedea în detaliu cum s-au aprins luminile din Univers, la Zorii Cosmosului. Și este fabuloasă, apreciază Science Alert.

„Thesan creează o punte către Universul timpuriu. Este destinată să servească drept omologul ideal de simulare pentru viitoarele instalații de observare, care sunt gata să ne modifice în mod fundamental înțelegerea cosmosului”, a spus fizicianul Aaron Smith, de la Institutul Kavli pentru Astrofizică și Cercetare Spațială al MIT.

La ce ne ajută să știm cum s-au aprins luminile din Univers?

Cea mai mare parte din ceea ce știm despre Univers, am învățat din lumină (cu excepția notabilă a undelor gravitaționale, un domeniu al astronomiei aflat încă la început). Atunci când lumina este împiedicată într-un fel sau altul, asta provoacă destul de multe probleme; un exemplu sunt găurile negre, care nu emit radiații detectabile.

Universul timpuriu de la între 50 de milioane și 1 miliard de ani după Big Bang este un alt astfel de caz. Această perioadă este cunoscută sub numele de Zorii Cosmosului, momentul în care Universul așa cum îl cunoaștem astăzi tocmai începea să apară din plasma primordială.

Înainte de apariția primelor stele, Universul a fost umplut cu o ceață fierbinte și tulbure de gaz ionizat. Lumina nu a putut să călătorească liber prin această ceață.

Odată ce Universul s-a răcit suficient, protonii și electronii au început să se recombine în atomi de hidrogen neutri. Asta însemna că lumina putea călători în sfârșit prin spațiu.

Reionizare

Pe măsură ce primele stele și galaxii au început să se formeze, la aproximativ 150 de milioane de ani după Big Bang, lumina lor ultravioletă a reionizat treptat hidrogenul neutru omniprezent în Univers, permițându-i întregului spectru de radiații electromagnetice să circule liber. Aceasta este Epoca Reionizării.

La aproximativ 1 miliard de ani după Big Bang, Universul a fost complet reionizat. Cu toate acestea, mai devreme de acest miliard de ani, nu putem vedea cu adevărat cu instrumentele noastre actuale, ceea ce face ca Zorii Cosmosului să fie dificil de înțeles.

O simulare a nașterii Universului

„Majoritatea astronomilor nu au laboratoare în care să desfășoare experimente. Scara spațiului și a timpului sunt prea mari, așa că singura modalitate prin care putem face experimente este pe computere”, a spus astrofizicianul Rahul Kannan, de la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică.

„Suntem capabili să folosim ecuații de bază ale fizicii și modele teoretice guvernamentale pentru a simula ceea ce s-a întâmplat în Universul timpuriu”, a adăugat Kannan.

Thesan începe cu un model realist de formare a galaxiilor, împreună cu un nou algoritm pentru reproducerea modului în care lumina interacționează și reionizează gazul ambiental și un model de praf cosmic.

Aceste procese și interacțiuni sunt foarte complicate. Pentru a simula o secțiune a Universului cu o lungime de 300 de milioane de ani-lumină, de la 400.000 la un miliard de ani după Big Bang, echipa a folosit un supercomputer foarte puternic, numit SuperMUC-NG, care a folosit echivalentul a 30 de milioane de ore de procesare pentru a rula Thesan.

Simularea rezultată este cea mai detaliată imagine de până acum a Epocii Reionizării, surprinzând fizica la scări de un milion de ori mai mici decât regiunile simulate, au spus cercetătorii. Acest lucru oferă o privire „fără precedent” asupra modului în care galaxiile timpurii s-au format și au interacționat cu gazul Universului timpuriu. Arată o schimbare treptată pe măsură ce lumina începe să pătrundă prin Univers.

„Seamănă un pic cu apa din tăvile pentru cuburi de gheață; când o pui în congelator, durează, dar după un timp începe să înghețe pe margini și apoi se strecoară încet spre centru. Aceasta a fost aceeași situație în Universul timpuriu: a fost un cosmos neutru, întunecat, care a devenit strălucitor și ionizat pe măsură ce lumina a început să iasă din primele galaxii”, a spus fizicianul Aaron Smith.

Ce a arătat simularea Thesan despre luminile din Univers?

Interesant este faptul că Thesan a arătat că inițial lumina nu călătorește deloc foarte departe. Abia spre sfârșitul reionizării lumina este capabilă să parcurgă distanțe mari. Echipa a văzut, de asemenea, ce tipuri de galaxii au avut cea mai mare influență asupra reionizării, masa galactică având un rol important.

Nici nu vom avea mult de așteptat pentru a afla cât de precisă este simularea. Telescopul Spațial James Webb (JWST) urmează să înceapă operațiunile științifice în câteva luni și este proiectat parțial pentru a observa în trecut până la aproximativ 300.000 de ani după Big Bang, atunci când reionizarea era în plină desfășurare.

„Fie simulările și modelul nostru Thesan vor fi similare cu ceea ce găsește JWST, ceea ce ar confirma imaginea noastră despre Univers, fie va exista un dezacord semnificativ care să arate că înțelegerea noastră a Universului timpuriu este greșită”, spune Mark Vogelsberger, un fizician de la MIT.

Însă indiferent ce se va întâmpla, vom învăța ceva foarte interesant despre nașterea misterioasă și primii ani ai Universului nostru uimitor.

Cercetarea a fost publicată în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.â

Vă recomandăm să citiți și:

O nouă pitică cenușie a fost descoperită cu ajutorul telescopului TESS

Lacurile subterane de pe Marte ar putea fi doar o iluzie. Ce arată cercetări recente?

O sondă a reușit să vadă ce se ascunde sub suprafața planetei Marte. Este o premieră științifică

Cum testează inginerii de la NASA costumele spațiale pentru viitoarele misiuni pe Lună