Şok Edici Yeni Simülasyon, Evrenimizdeki Işıkların Kökenini Gösteriyor

Evrenimizin opak, ışıksız dönen bir gaz denizinden başka bir şey olmadığı bir zaman vardı.

Ancak Evren bir milyar yaşına geldiğinde, her şey değişmişti. İlk yıldızlardan ve galaksilerden gelen radyasyon, ışığın tüm elektromanyetik spektrum boyunca serbestçe akmasına izin vererek çarpıcı bir değişikliğe yol açtı.

Thesan adlı yeni bir simülasyon, bilim insanlarının Evrenin Karanlık Çağlarını araştırmasını sağladı.

MIT'nin Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü'nden fizikçi Aaron Smith, "Thesan, erken Evren'e bir köprü görevi görüyor" dedi. "Kozmos anlayışımızı temelden değiştirmeye hazır olan, yaklaşmakta olan gözlem tesisleri için ideal bir simülasyon muadili olarak hizmet etmesi amaçlanıyor."

Evren hakkında bildiklerimizin çoğunu ışıktan öğrendik (hala emekleme aşamasında olan bir astronomi alanı olan yerçekimi dalgaları hariç).

Big Bang'den 50 milyon ila 1 milyar yıl sonra erken Evren, bugün bildiğimiz Evrenin ilkel plazmadan bir araya gelmeye başladığı zaman olan Kozmik Şafak olarak bilinir. İlk yıldızlar ortaya çıkmadan önce, sıcak, bulanık bir iyonize gaz sisiyle doluydu. Işık bu sisin içinde özgürce seyahat edemiyordu; sadece serbest elektronları saçıyordu.

Evren yeterince soğuduğunda, protonlar ve elektronlar nötr hidrojen atomlarına yeniden birleşmeye başladı. Bu, ışığın sonunda uzayda seyahat edebileceği anlamına geliyordu. Büyük Patlama'dan yaklaşık 150 milyon yıl sonra, ilk yıldızlar ve galaksiler oluşmaya başladığında, onların ultraviyole ışığı, Evrenin her yerinde bulunan nötr hidrojeni yavaş yavaş yeniden iyonize ederek, tüm elektromanyetik radyasyon spektrumunun serbestçe akmasına izin verdi. Bu, Yeniden İyonlaşma Dönemidir.

Big Bang'den yaklaşık 1 milyar yıl sonra, Evren tamamen yeniden iyonize oldu. Ancak öncesini, mevcut enstrümanlarımızla gerçekten göremiyoruz, bu da bu kritik Kozmik Şafak'ın anlaşılmasını zorlaştırıyor.

Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi'nden astrofizikçi Rahul Kannan, "Çoğu astronomun deney yapacak laboratuvarları yok. Uzay ve zaman ölçekleri çok büyük, bu yüzden deney yapabilmemizin tek yolu bilgisayarlarda" dedi. "Evrenin erken dönemlerinde olanları simüle etmek için temel fizik denklemlerini yöneten teorik modelleri alabiliyoruz."

Thesan, gerçekçi bir galaksi oluşumu modelinin yanı sıra ışığın ortamdaki gazla nasıl etkileşime girdiğini ve onu yeniden iyonize ettiğini gösteren yeni bir algoritma ve bir kozmik toz modeli ile başlar.

Bu süreçler ve etkileşimler çok karmaşıktır; Ekip, Big Bang'den 400.000 ila bir milyar yıl sonra, 300 milyon ışık yılı boyunca Evrenin bir bölümünü simüle etmek için, 30 milyon CPU saatine eşdeğer olan güçlü bir süper bilgisayar SuperMUC-NG makinesi kullandı.

Araştırmacılar, ortaya çıkan simülasyonun, simüle edilen bölgelerden bir milyon kat daha küçük ölçeklerde fiziği yakalayan Yeniden İyonlaşma Çağı'nın şimdiye kadarki en ayrıntılı görünümü olduğunu söyledi. Bu, erken galaksilerin oluşma ve erken Evrenin gazıyla etkileşime girme şekline "benzeri görülmemiş" bir bakış sağlar. Işık Evrenden sızmaya başladığında kademeli bir değişim gösterir.

Smith, "Biraz buz kalıplarındaki suya benziyor; dondurucuya koyduğunuzda zaman alıyor, ancak bir süre sonra kenarlarda donmaya başlıyor ve sonra yavaşça içeri giriyor" dedi. "Bu, Evren'in başlarındaki durumuyla aynı.”

İlginç bir şekilde Thesan, başlangıçta ışığın çok uzağa gitmediğini gösterdi. Ekip ayrıca, hangi galaksi türlerinin yeniden iyonlaşma üzerinde en büyük etkiye sahip olduğunu ve galaktik kütlenin büyük bir rol oynadığını gördü.

Simülasyonun ne kadar doğru olduğunu öğrenmek için de fazla beklemeyeceğiz. James Webb Uzay Teleskobu (JWST) birkaç ay içinde bilim operasyonlarına başlayacak ve kısmen, yeniden iyonlaşmanın tüm hızıyla devam ettiği Büyük Patlama'dan yaklaşık 300.000 yıl sonrasını incelemek üzere tasarlandı.

MIT'den fizikçi Mark Vogelsberger, "İşte ilginç olan kısım da bu" dedi. "Ya Thesan simülasyonlarımız ve modelimiz, JWST'nin buldukları ile hemfikir olacak, bu da Evren resmimizi doğrulayacaktır ya da erken Evren anlayışımızın yanlış olduğunu gösteren önemli bir anlaşmazlık olacaktır."

Her iki durumda da şaşırtıcı Evrenimizin gizemli doğumu ve ilk yılları hakkında çok heyecan verici bir şey öğreneceğiz.

Araştırma, Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık Bildirimlerinde yayınlandı.