Симуляция Lumina показала, как Вселенная вышла из космической тёмной эпохи
Новая мощная компьютерная симуляция позволяет учёным исследовать один из самых загадочных периодов космической истории, когда Вселенная вышла из тьмы, а первые звёзды и галактики начали преобразовывать космос. Разработанная исследователями Массачусетского технологического института (MIT), Гарвардского университета и других учреждений симуляция, названная Lumina, воссоздаёт эволюцию ранней Вселенной в области шириной примерно 1,6 млрд световых лет.
Она прослеживает 2 млрд лет космической истории, раскрывая, как формировались галактики, как излучение распространялось в пространстве и как Вселенная постепенно становилась прозрачной для света. Исследование, опубликованное в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), даёт необычно детальную картину событий, развернувшихся за миллиарды лет до возникновения нашей Солнечной системы.
Как Вселенная вошла в свою космическую тёмную эпоху. История начинается с Большого взрыва, когда Вселенная существовала в чрезвычайно горячем, плотном состоянии, заполненном электронами и другими субатомными частицами. Эта первичная плазма, описанная как изначально меньшая, чем один атом, быстро расширялась и остывала по мере роста Вселенной. В конце концов частицы замедлились достаточно, чтобы электроны соединились с атомными ядрами, произведя электрически нейтральный водород.
Около 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная вступила в период, известный как космическая «тёмная эпоха». Хотя Вселенная стала прозрачной для большей части излучения, оставшегося после Большого взрыва, звёзды ещё не сформировались, чтобы осветить космос. Нейтральный водород заполнил пространство и мог поглощать определённые виды излучения, включая ультрафиолетовый свет, который позже появился от первых звёзд. Lumina позволяет исследователям изучить, как эта ранняя среда развивалась, в конечном итоге дав начало галактикам, звёздам и другим структурам, которые помогли завершить тёмную эпоху.
Как первые звёзды и чёрные дыры преобразовали Вселенную. Симуляция охватывает огромную область размером 500 мегапарсек, что эквивалентно примерно 1,6 млрд световых лет. Внутри этого объёма Lumina прослеживает тёмную материю, газ, звёзды и излучение (такие как фотоны), фиксируя как поведение материи на огромных расстояниях, так и формирование отдельных галактик.
Одно из её важнейших достижений — воссоздание двух крупных изменений в ранней Вселенной: реионизации водорода и реионизации гелия. Реионизация водорода началась, когда первые звёзды и галактики произвели увеличивающиеся объёмы ультрафиолетового излучения. Этот энергичный свет удалял электроны из нейтральных атомов водорода — процесс, называемый «реионизацией» газа. По мере того как больше водорода ионизировалось, Вселенная становилась всё более прозрачной для ультрафиолетового света, позволяя излучению преодолевать гораздо большие расстояния. Эта трансформация помогла рассеять широко распространённый нейтральный водород, доминировавший в раннем космосе.
Симуляция также прослеживает реионизацию гелия, для которой требуется существенно более энергичное излучение, чтобы оторвать электроны от гелия. Результаты указывают на разные источники этих двух трансформаций. Ранние звёзды и галактики, по-видимому, были в первую очередь ответственны за ионизацию водорода, тогда как активно питающиеся сверхмассивные чёрные дыры поставляли интенсивное излучение, необходимое для ионизации гелия. Это первая симуляция, фиксирующая оба процесса вместе, дающая более полную картину того, как менялась ранняя Вселенная.
«Lumina делает всё — от формирования звёзд и галактик в малых масштабах до крупномасштабной реионизации водорода и гелия — в объёме, в 100 раз большем, чем лучшие предыдущие симуляции», — говорит автор исследования Марк Фогельсбергер, профессор физики в MIT.
