Tout a commencé il y a approximativement 13,8 milliards d’années avec un grand “bang” cosmologique qui a donné naissance à l’univers de manière soudaine et spectaculaire. Peu de temps après, l’univers childish s’est refroidi de façon spectaculaire et est devenu complètement noir.
Puis, quelques centaines de millions d’années après le Major Bang, l’univers s’est réveillé, alors que la gravité rassemblait de la matière dans les premières étoiles et galaxies. La lumière de ces premières étoiles a transformé le gaz environnant en un plasma chaud et ionisé – une transformation cruciale connue sous le nom de réionisation cosmique qui a propulsé l’univers dans la structure complexe que nous voyons aujourd’hui.
Désormais, les scientifiques peuvent obtenir une vue détaillée de la façon dont l’univers a pu se dérouler au cours de cette période charnière grâce à une nouvelle simulation, connue sous le nom de Thesan, développée par des scientifiques du MIT, de l’Université de Harvard et de l’Institut Max Planck d’astrophysique.
Nommée d’après la déesse étrusque de l’aube, Thesan est conçue pour simuler « l’aube cosmique », et as well as particulièrement la réionisation cosmique, une période qui a été difficile à reconstruire, car or truck elle implique des interactions extrêmement compliquées et chaotiques, y compris celles entre la gravité, le gaz, et rayonnement.
La simulation Thesan résout ces interactions avec le as well as de détails et sur le plus grand volume de toutes les simulations précédentes. Pour ce faire, il blend un modèle réaliste de development de galaxies avec un nouvel algorithme qui accommodate l’interaction de la lumière avec le gaz, ainsi qu’un modèle de poussière cosmique.
Avec Thesan, les chercheurs peuvent simuler un volume cubique de l’univers s’étendant sur 300 tens of millions d’années-lumière. Ils font avancer la simulation dans le temps pour suivre la première apparition et l’évolution de centaines de milliers de galaxies dans cet espace, commençant environ 400 000 ans après le Significant Bang, et tout au long du premier milliard d’années.
Jusqu’à présent, les simulations s’alignent sur les quelques observations que les astronomes ont de l’univers primitif. Au fur et à mesure que d’autres observations sont faites sur cette période, par exemple avec le télescope spatial James Webb récemment lancé, Thesan peut aider à placer ces observations dans un contexte cosmique.
Pour l’instant, les simulations commencent à faire la lumière sur certains processus, tels que la length parcourue par la lumière dans l’univers primitif et les galaxies responsables de la réionisation.
“Thesan agit comme un pont vers l’univers primitif”, explique Aaron Smith, un boursier Einstein de la NASA à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. “Il est destiné à servir de contrepartie de simulation idéale pour les installations d’observation à venir, qui sont sur le issue de modifier fondamentalement notre compréhension du cosmos.”
Smith et Mark Vogelsberger, professeur agrégé de physique au MIT, Rahul Kannan du Harvard-Smithsonian Heart for Astrophysics, et Enrico Garaldi de Max Planck ont présenté la simulation Thesan à travers trois content articles, le troisième publié aujourd’hui dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Société.
Aux premiers stades de la réionisation cosmique, l’univers était un espace sombre et homogène. Pour les physiciens, l’évolution cosmique au cours de ces premiers “âges sombres” est relativement uncomplicated à calculer.
“En principe, vous pouvez résoudre ce problème avec un stylo et du papier”, explique Smith. “Mais à un instant donné, la gravité start à rassembler et à effondrer la matière, d’abord lentement, mais ensuite si rapidement que les calculs deviennent trop compliqués et que nous devons faire une simulation complète.”
Pour simuler pleinement la réionisation cosmique, l’équipe a cherché à inclure autant d’ingrédients majeurs de l’univers primitif que achievable. Ils ont commencé avec un modèle réussi de formation de galaxies que leurs groupes ont précédemment développé, appelé Illustris-TNG, qui simule avec précision les propriétés et les populations de galaxies en évolution. Ils ont ensuite développé un nouveau code pour incorporer la façon dont la lumière des galaxies et des étoiles interagit avec et réionise le gaz environnant – un processus extrêmement complexe que d’autres simulations n’ont pas été en mesure de reproduire avec précision à grande échelle.
“Thesan match remark la lumière de ces premières galaxies interagit avec le gaz au cours du leading milliard d’années et transforme l’univers de neutre à ionisé”, explique Kannan. “De cette façon, nous suivons automatiquement le processus de réionisation au fur et à mesure qu’il se déroule.”
Enfin, l’équipe a inclus un modèle préliminaire de poussière cosmique – une autre caractéristique special à de telles simulations de l’univers primitif. Ce leading modèle vise à décrire comment de minuscules grains de matière influencent la formation des galaxies dans l’univers primitif et clairsemé.
Pont cosmique
Avec les ingrédients de la simulation en spot, l’équipe a défini ses circumstances initiales pour approximativement 400 000 ans après le Major Bang, sur la base de mesures de précision de la lumière relique du Massive Bang. Ils ont ensuite fait évoluer ces circumstances dans le temps pour simuler une partie de l’univers, en utilisant la equipment SuperMUC-NG – l’un des moreover grands supercalculateurs au monde – qui exploitait simultanément 60 000 cœurs de calcul pour effectuer les calculs de Thesan sur un équivalent de 30 thousands and thousands d’heures CPU (un hard work qui aurait pris 3 500 ans pour fonctionner sur un seul bureau).
Les simulations ont produit la vue la in addition détaillée de la réionisation cosmique, à travers le moreover grand volume d’espace, de toutes les simulations existantes. Alors que certaines simulations modélisent sur de grandes distances, elles le font à une résolution relativement faible, tandis que d’autres simulations moreover détaillées ne couvrent pas de grands volumes.
« Nous combinons ces deux approches : nous avons à la fois un grand quantity et une haute résolution », souligne Vogelsberger.
Les premières analyses des simulations suggèrent que vers la fin de la réionisation cosmique, la length que la lumière a pu parcourir a augmenté de façon additionally spectaculaire que les scientifiques ne l’avaient supposé auparavant.
“Thesan a découvert que la lumière ne parcourait pas de grandes distances au début de l’univers”, explique Kannan. “En fait, cette length est très petite, et ne devient grande qu’à la toute fin de la réionisation, augmentant d’un facteur 10 en quelques centaines de millions d’années.”
Les chercheurs voient également des indices sur le variety de galaxies responsables de la réionisation. La masse d’une galaxie semble influencer la réionisation, bien que l’équipe affirme que davantage d’observations, prises par James Webb et d’autres observatoires, aideront à cerner ces galaxies prédominantes.
“Il y a beaucoup de pièces mobiles dans [modeling cosmic reionization]”, conclut Vogelsberger. “Quand nous pouvons mettre tout cela ensemble dans une sorte de machinerie et commencer à la faire fonctionner et que cela produit un univers dynamique, c’est pour nous tous un moment assez gratifiant.”
Cette recherche a été financée en partie par la NASA, la National Science Foundation et le Gauss Centre for Supercomputing.