Una nuova sbalorditiva simulazione mostra come si accendono le luci nel nostro universo

C’è stato un tempo in cui il nostro Universo non era altro che un mare opaco e senza luce di gas vorticoso.

Quando l’Universo aveva un miliardo di anni, tuttavia, tutto era cambiato. Le radiazioni delle prime stelle e galassie hanno provocato una drammatica alterazione, consentendo alla luce di fluire liberamente, attraverso l’intero spettro elettromagnetico.

Una nuova simulazione, chiamata Thesan in onore della dea etrusca dell’alba, ha permesso agli scienziati di sondare il Medioevo dell’Universo. È un nuovo strumento per vedere in dettaglio come potrebbero essersi accese le luci, all’Alba Cosmica. Ed è assolutamente bellissimo.

“Thesan funge da ponte verso l’Universo primordiale”, ha affermato il fisico Aaron Smith del Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. “È destinato a fungere da controparte di simulazione ideale per le imminenti strutture di osservazione, che sono pronte a modificare radicalmente la nostra comprensione del cosmo”.

La maggior parte di ciò che sappiamo sull’Universo, l’abbiamo imparato dalla luce (con la notevole eccezione delle onde gravitazionali, un campo dell’astronomia ancora agli albori). Quindi, quando la luce è ostacolata in qualche modo, ciò causa non pochi problemi; basta guardare (o non guardare, a seconda dei casi) i buchi neri, che non emettono radiazioni rilevabili.

L’Universo primordiale tra 50 milioni e 1 miliardo di anni dopo il Big Bang è un altro caso del genere. Questo periodo è noto come l’Alba Cosmica, il momento in cui l’Universo come lo conosciamo oggi stava appena iniziando a formarsi dal plasma primordiale. Prima che arrivassero le prime stelle, era piena di una nebbia calda e torbida di gas ionizzato. La luce non poteva viaggiare liberamente attraverso questa nebbia; ha semplicemente disperso gli elettroni liberi.

Una volta che l’Universo si è sufficientemente raffreddato, i protoni e gli elettroni hanno iniziato a ricombinarsi in atomi di idrogeno neutri. Ciò significava che la luce poteva finalmente viaggiare nello spazio. Quando le prime stelle e galassie iniziarono a formarsi, circa 150 milioni di anni dopo il Big Bang, la loro luce ultravioletta reionì gradualmente l’idrogeno neutro ubiquo in tutto l’Universo, consentendo all’intero spettro della radiazione elettromagnetica di fluire liberamente. Questa è l’Epoca della Reionizzazione.

Circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang, l’Universo fu completamente reionizzato; prima di questo miliardo di anni, tuttavia, non possiamo davvero vedere con i nostri strumenti attuali, il che rende difficile capire questa critica Alba Cosmica.

“La maggior parte degli astronomi non ha 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”, ha detto l’astrofisico Rahul Kannan dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

“Siamo in grado di prendere equazioni fisiche di base e modelli teorici di governo per simulare ciò che è accaduto nell’Universo primordiale”.

Thesan inizia con un modello realistico della formazione delle galassie, insieme a un nuovo algoritmo per riprodurre il modo in cui la luce interagisce e reionizza il gas ambientale e un modello di polvere cosmica.

Questi processi e interazioni sono molto complicati; per simulare una sezione dell’Universo di 300 milioni di anni luce di diametro, da 400.000 a un miliardo di anni dopo il Big Bang, il team ha utilizzato un potente supercomputer, la macchina SuperMUC-NG, che utilizzava l’equivalente di 30 milioni di ore di CPU per far funzionare Thesan.

La simulazione risultante è la visione più dettagliata mai realizzata dell’Epoca della Reionizzazione, catturando la fisica su scale un milione di volte più piccole delle regioni simulate, hanno affermato i ricercatori. Questo dà uno sguardo “senza precedenti” al modo in cui le prime galassie si sono formate e hanno interagito con il gas dell’Universo primordiale. Mostra un cambiamento graduale quando la luce inizia a filtrare attraverso l’Universo.

“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 congelare sui bordi e poi lentamente si insinua”, ha detto Smith. “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”.

È interessante notare che Thesan ha mostrato che inizialmente la luce non viaggia molto lontano. È solo verso la fine della reionizzazione che la luce è in grado di percorrere lunghe distanze. Il team ha anche visto quali tipi di galassie hanno avuto la maggiore influenza sulla reionizzazione, con la massa galattica che gioca un ruolo importante.

Non dovremo nemmeno aspettare per scoprire quanto sia accurata la simulazione. Il James Webb Space Telescope (JWST) dovrebbe iniziare le operazioni scientifiche tra pochi mesi ed è parzialmente progettato per risalire a circa 300.000 anni dopo il Big Bang, quando la reionizzazione era in pieno svolgimento.

“E questa è la parte interessante”, ha detto il fisico Mark Vogelsberger del 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, o ci sarà un disaccordo significativo che mostrerà che la nostra comprensione dell’Universo primordiale è sbagliata”.

In ogni caso, impareremo qualcosa di molto eccitante sulla misteriosa nascita e sui primi anni del nostro fantastico Universo.

La ricerca è stata pubblicata nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.

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