O nouă simulare uriașă permite observarea Universului în primii 2 miliarde de ani de la formare

Observatoarele puternice, precum Telescopul Spațial James Webb al NASA, oferă imagini cu galaxii care s-au format când universul era încă tânăr, dar noile simulări realizate pe supercomputere ajută la umplerea lacunelor din istoria timpurie și misterioasă a cosmosului. Acum, o echipă de cercetători internaționali a dezvoltat unul dintre cele mai detaliate modele de până acum ale universului timpuriu, potrivit unui studiu recent publicat în revista științifică Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, scrie CNN.

Noua simulare, numită Lumina, recreează modul în care primele stele și găuri negre au determinat reionizarea, o fază esențială, dar enigmatică, care a transformat Universul. După Big Bang, radiațiile ultraviolete provenite de la aceste surse de lumină timpurii au desprins electronii de atomii de hidrogen, cel mai comun element din spațiu, permițând luminii să călătorească mai departe și schimbând modul în care s-au format galaxiile.

Universul timpuriu a devenit o nouă frontieră interesantă pentru astronomii care vor să înțeleagă cum a evoluat cosmosul în ceea ce este astăzi. Deoarece lumina are nevoie de timp pentru a călători prin spațiu, telescoapele puternice surprind galaxiile îndepărtate așa cum apăreau acum miliarde de ani. Însă studierea unei perioade atât de lungi a istoriei cosmice necesită simulări la o scară la fel de vastă.

Aici intervin modele precum Lumina.

„Una dintre cele mai promițătoare caracteristici ale Lumina este scara sa enormă, acoperind de peste 100 de ori mai mult spațiu decât simulările anterioare”, a spus autorul principal alstudiului, Oliver Zier, cercetător postdoctoral la Institutul pentru Teorie și Calcul din cadrul Centrului pentru Astrofizică, Harvard & Smithsonian, din Cambridge, Massachusetts.

„Avem un volum cosmologic unde puteți vedea această rețea cosmică, cum sunt grupate galaxiile. În același timp, rezolvăm galaxii individuale”, a adăugat el, referindu-se la capacitatea simulării de a surprinde atât vastitatea spațiului, cât și detaliile complexe.

Simularea poate fi folosită și pentru a testa idei despre cum a evoluat Universul. Oamenii de știință pot compara scenariul universului timpuriu modelat în Lumina cu observațiile realizate de telescoape precum Telescopul Spațial James Webb. Dacă rezultatele se potrivesc, oamenii de știință pot câștiga mai multă încredere în teoriile lor.

„Dar este, de fapt, mai interesant dacă nu sunt de acord, pentru că atunci înseamnă că lipsește ceva în modelul nostru și asta ar putea oferi indicii despre fizica lipsă”, a spus Zier.

Astfel de discrepanțe ar putea oferi indicii despre univers pe care oamenii de știință încă nu le-au înțeles pe deplin.

Cea mai mare simulare

Lumina se întinde pe o regiune cu un diametru de aproximativ 1,5 miliarde de ani-lumină în fiecare direcție. Pentru comparație, Calea Lactee are o lățime de aproximativ 100.000 de ani-lumină, potrivit NASA.

Modelul masiv a durat aproape trei ani pentru a fi finalizat, folosind peste 15.000 de unități de procesare grafică pe Frontier, un supercomputer de la Laboratorul Național Oak Ridge din Tennessee, pentru a oferi puterea de calcul necesară pentru o astfel de performanță.

Lumina nu a fost încă lansată complet pentru public, dar videoclipurile simulării evidențiază cât de vast este de fapt spațiul, mărind galaxiile individuale și apoi retragându-le pentru a arăta cât de mici sunt acestea în comparație cu altele din cosmos.

„Pământul poate părea gigantic, dar este doar una dintre numeroasele planete din Calea Lactee, care este una dintre nenumăratele galaxii din univers. Chiar dacă Lumina este foarte mare, este totuși doar o parte foarte mică a universului”, a adăugat Zier.

Pentru prima dată, Lumina permite cercetătorilor să studieze modul în care schimbările atât ale hidrogenului, cât și ale heliului, al doilea element cel mai comun în spațiu, au transformat cosmosul timpuriu într-o singură simulare.

„Lumina este o realizare tehnică cu adevărat impresionantă”, a declarat Julian Muñoz, profesor asistent de astronomie la Universitatea din Texas, Austin, care nu a fost implicat în noul studiu.

„Simulările modului în care primele galaxii se formează și ionizează universul timpuriu sunt costisitoare, așa că, de obicei, acestea urmăresc doar porțiuni destul de mici ale cosmosului pentru o perioadă limitată de timp. Lumina este atât de mare ca dimensiune, încât funcționează și pentru o perioadă cosmică mai lungă decât simulările detaliate anterioare de acest tip”, a spus Muñoz.

Universul timpuriu nu s-a schimbat uniform. Unele regiuni au evoluat mai repede decât altele, iar scara imensă a Luminei le permite cercetătorilor să vadă cum diferite regiuni s-au schimbat în timp.

El a adăugat că simularea ar putea ajuta oamenii de știință să studieze modul în care materia obișnuită și materia întunecată se mișcă diferit prin spațiu.

Modelele computerizate ale modului în care au prins formă primele galaxii se concentrează adesea pe interacțiunile dintre trei ingrediente cosmice cheie: materia obișnuită, substanța din care sunt alcătuite stelele, planetele și oamenii; materia întunecată, o substanță invizibilă ce reprezintă cea mai mare parte a materiei universului; și radiația.

Spre deosebire de materia întunecată, materia obișnuită interacționează cu lumina, ceea ce face ca cele două tipuri de materie să se miște cu viteze diferite. La începutul istoriei universului, aceste diferențe au lăsat modele cosmice care se întind pe milioane de ani-lumină.

„Deși aceste modele nu pot fi observate direct prin telescoape, variațiile pot fi cartografiate în simulări precum Lumina, permițând oamenilor de știință să investigheze modul în care dinamica materiei ar fi putut modela cosmosul timpuriu”, a explicat Muñoz.

„Simularea ar putea ajuta cercetătorii să studieze galaxii rare pe care modelele mai mici le-ar putea rata”, a adăugat Ilian Iliev, profesor de astrofizică la Universitatea Sussex din Marea Britanie, care nu a fost implicat în studiu.