Gli astronomi rivelano notevoli simulazioni dell’epoca della reionizzazione dell’universo primordiale

Credito: Thesan Collaboration

Sembra che le lucciole tremolano nell’oscurità. Lentamente, sempre di più si accumulano, illuminando lo schermo in grandi blocchi e gruppi.

Ma questo non è un video sugli insetti. È una simulazione dell’universo primordiale, un tempo dopo il Big Bang in cui il cosmo si è trasformato da un luogo di totale oscurità a un ambiente radioso e pieno di luce.

Lo straordinario video fa parte di un’ampia serie di simulazioni descritte in una serie di tre documenti accettati al Avvisi mensili della Royal Astronomical Society. Creato dai ricercatori del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, il Massachusetts Institute of Technology e il Max Planck Institute for Astrophysics, le simulazioni rappresentano un progresso monumentale nella simulazione della formazione delle prime galassie e della reionizzazione, il processo mediante il quale gli atomi di idrogeno neutri nello spazio sono stati trasformati in atomi di idrogeno a carica positiva, o ionizzato, idrogeno, che permette alla luce di diffondersi in tutto l’universo.

Il periodo simulato, noto come l’epoca della reionizzazione, ha avuto luogo circa 13 miliardi di anni fa ed è stato difficile da ricostruire, poiché comporta interazioni caotiche immensamente complicate, comprese quelle tra gravità, gas e radiazioni o luce.

“La maggior parte degli astronomi non dispone di laboratori in cui condurre esperimenti. Le scale dello spazio e del tempo sono troppo grandi, quindi l’unico modo in cui possiamo fare esperimenti è sui computer”, spiega Rahul Kannan, astrofisico del Center for Astrophysics e capofila autore del primo articolo della serie. “Siamo in grado di prendere equazioni fisiche di base e modelli teorici di governo per simulare ciò che è accaduto nell’universo primordiale”.

Le simulazioni del team, chiamate Thesan in onore della dea etrusca dell’alba, risolvono le interazioni nell’universo primordiale con il massimo dettaglio e il volume più grande di qualsiasi simulazione precedente. La fisica nell’universo primordiale viene catturata su scale che sono un milione di volte più piccole delle regioni simulate, fornendo dettagli senza precedenti sulle proprietà delle prime galassie e sull’impatto della luce di queste galassie sul gas.

Il team realizza questo combinando un modello realistico di formazione delle galassie con un nuovo algoritmo che tiene traccia del modo in cui la luce interagisce con il gas, insieme a un modello per la polvere cosmica.

Con Thesan, i ricercatori possono simulare un pezzo del nostro universo che si estende per oltre 300 milioni di anni luce. Il team può eseguire la simulazione in avanti nel tempo per tracciare e visualizzare la prima apparizione e l’evoluzione di centinaia di migliaia di galassie all’interno di questo spazio, a partire da circa 400.000 anni dopo il Big Bang e attraverso il primo miliardo di anni.






Credito: Thesan Collaboration

Le simulazioni rivelano un graduale cambiamento nell’universo dalla completa oscurità alla luce.

“È un po’ come l’acqua nelle vaschette dei cubetti di ghiaccio; quando la metti nel congelatore, ci vuole tempo, ma dopo un po’ inizia a congelarsi sui bordi e poi lentamente si insinua”, afferma il coautore dello studio Aaron Smith, un Einstein Fellow della NASA presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. “Questa era la stessa situazione nell’universo primordiale: era un cosmo neutro e oscuro che divenne luminoso e ionizzato quando la luce iniziò ad emergere dalle prime galassie”.

Le simulazioni sono state create per preparare le osservazioni del James Webb Space Telescope (JWST), che sarà in grado di scrutare più indietro nel tempo, circa 13,5 miliardi di anni, rispetto a predecessori come il telescopio spaziale Hubble.

“Molti telescopi online, come il JWST, sono progettati specificamente per studiare questa epoca”, afferma Kannan. “È qui che entrano in gioco le nostre simulazioni; ci aiuteranno a interpretare le osservazioni reali di questo periodo e capire cosa stiamo vedendo”.

Le osservazioni e i dati reali del telescopio saranno presto confrontati con le simulazioni di Thesan, spiega il team.

“E questa è la parte interessante”, afferma il coautore dello studio Mark Vogelsberger, professore associato di fisica al MIT. “O le nostre simulazioni e il nostro modello Thesan saranno d’accordo con ciò che trova JWST, il che confermerebbe la nostra immagine dell’universo, oppure ci sarà un disaccordo significativo che mostrerà che la nostra comprensione dell’universo primordiale è sbagliata”.

Il team, tuttavia, non saprà come vanno i vari aspetti del loro modello fino a quando non arriveranno le prime osservazioni, che copriranno un’ampia gamma di argomenti, comprese le proprietà delle galassie e l’assorbimento e la fuga della luce nell’universo primordiale.

“Abbiamo sviluppato simulazioni basate su ciò che sappiamo”, afferma Kannan. “Ma mentre la comunità scientifica ha imparato molto negli ultimi anni, c’è ancora un po’ di incertezza, specialmente in questi primi tempi in cui l’universo era molto giovane”.

Le simulazioni sono state create utilizzando uno dei più grandi supercomputer del mondo, il SuperMUC-NG, nel corso di 30 milioni di ore di CPU. Le stesse simulazioni avrebbero richiesto più di 3.500 anni per essere completate su un normale computer.


Gli astronomi identificano un potenziale indizio per la reionizzazione dell’universo


Fornito da Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Citazione: Video: Gli astronomi rivelano straordinarie simulazioni dell’epoca della reionizzazione dell’universo primordiale (2022, 24 marzo) recuperate il 24 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-video-astronomers-reveal-remarkable-simulations.html

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