Физики в лабораторных условиях воссоздали «эпоху реионизации» в догалактической вселенной

Эпоха реионизации, процесс, происходивший в начале существования Вселенной, был воссоздан с беспрецедентным разрешением в рамках проекта Cosmic Dawn III.

Между 400 млн. и первым миллиардом лет существования материального космоса нейтральная догалактическая среда была ионизирована ультрафиолетовым излучением, испускаемым первыми звездами. Понимание природы этого времени, называемого "эпохой реионизации" или EoR, позволит связать физику современной Вселенной с Большим взрывом.

"Эпоха реионизации представляет собой последний крупный переход Вселенной в истории космической эволюции, - говорит астрофизик-теоретик Пол Шапиро из Техасского университета в Остине, - от фазы, когда все пространство было заполнено однородным, почти бесцветным газом, к фазе, когда возникла структура, с образованием первых галактик и, внутри них, звезд".

Прямое наблюдение удаленных источников реионизации является сложной задачей, и до сих пор их обнаружение ограничено самыми яркими галактиками. Физики используют компьютерные симуляции для воссоздания EoR.

На апрельском заседании Американского физического общества 2022 года Шапиро представил основные моменты и прогнозы наблюдений в рамках проекта "Космический рассвет III".

Моделирование EoR с помощью CoDa III потребовало больших вычислительных затрат. С одним триллионом вычислительных элементов (8 192 кубических частиц темной материи и 8 192 кубических ячеек газа и излучения в области размером 300 миллионов световых лет) модель имела достаточно высокое разрешение, чтобы отследить все новообразованные галактические ореолы, вызвавшие реионизацию в этом объеме.

Моделирование проводилось в течение 10 дней на 131 072 процессорах, соединенных с 24 576 графическими процессорами на массивно-параллельном суперкомпьютере Summit в Ок-Риджской национальной лаборатории.

Размер - не единственная примечательная особенность симулятора CoDa III, говорит Шапиро. Отслеживание эволюции формирования галактик и реионизации требует взаимной обратной связи: ионизирующее излучение, просачивающееся из галактик, должно было нагревать межгалактическую среду.

Это дополнительное тепло, в свою очередь, создало достаточное давление на газ, чтобы противостоять гравитационному притяжению близлежащих галактик. Поскольку газ должен был подпитывать звездообразование, чистым результатом этого процесса является блокировка новых звезд.

Предыдущие модели разделяли эти эффекты, но Шапиро говорит, что CoDa III может моделировать гравитационную динамику газа и материи вместе с учетом ионизирующего излучения и его влияния на газ. Без радиационного переноса время в эволюционной модели пришлось бы разделить на достаточно маленькие шаги, чтобы представить меняющиеся плотности газа, звезд и темной материи.

Добавление этой петли обратной связи означает, что временные шаги должны быть в сотни раз меньше, чтобы уловить высокую скорость "поверхностей ионизации" - быстро расширяющихся ионизирующих пузырей, которые вырываются из новообразованных галактик и распространяются по Вселенной.

Связанные процессоры и GPU в суперкомпьютере Summit позволили решить эти уравнения почти так же быстро, как если бы модель не включала радиацию.

В частности, CoDa III решает проблему между теорией и данными наблюдений, возникшую в исследованиях EoR, а именно: теоретические предсказания предыдущих моделей не согласуются с наблюдениями спектров поглощения квазаров. Проблема исчезает в CoDa III, так как симуляция дает последовательные предсказания, которые согласуются с последними наблюдениями.

Шапиро прогнозирует, что в ближайшие несколько лет изучение ЕоР останет одним из основных направлений астрофизических исследований. Космические обсерватории, такие как «Джеймса Уэбб» и "Нэнси Грейс Роман", запуск которого запланирован на 2027 год, а также наземные проекты, расширят возможности астрономов по наблюдению за отдаленными факторами реионизации.

Текущие и будущие радиоисследования могут помочь исследователям лучше определить неоднородный и неоднородный способ ионизации межгалактической среды.

Моделирование, подобное Cosmic Dawn, по словам Шапиро, обеспечивает теоретическую основу наблюдений при помощи сложных телескопов.