Когда зажегся свет. Астрономы создали модель «космического рассвета»
Давным-давно, посреди далёки-далёких галактик....
Новая симуляция, названная Тесан (в честь этрусской богини утренней зари), позволила учёным исследовать Тёмные века Вселенной. Это новый инструмент для детального просмотра того, как мог зажечься свет во Вселенной.
«Тесан действует как мост к ранней Вселенной, — говорит физик Аарон Смит из Института астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института. — Модель призвана служить идеальным аналогом моделирования для будущих средств наблюдения, которые готовы коренным образом изменить наше понимание космоса».
Большую часть того, что мы знаем о Вселенной, мы увидели. Когда работа света каким-то образом затруднена, это вызывает довольно много проблем — посмотрите хотя бы на чёрные дыры, которые не испускают заметного излучения.
Как выглядела Вселенная
Ранняя Вселенная между 50 миллионами и 1 миллиардом лет после Большого взрыва — ещё один такой случай. Этот период известен как Космический Рассвет: это время, когда Вселенная, какой мы её знаем сегодня, только начинала собираться из первичной плазмы. До того, как появились первые звёзды, она была заполнена горячим мутным туманом ионизированного газа. Свет не мог свободно проходить сквозь этот туман, он просто рассеивал свободные электроны.
Как только Вселенная достаточно остыла, протоны и электроны начали собираться в нейтральные атомы водорода. Это означало, что свет, наконец, мог путешествовать в космосе. Когда первые звёзды и галактики начали формироваться (примерно через 150 миллионов лет после Большого взрыва), их ультрафиолетовый свет постепенно повторно ионизировал нейтральный водород, вездесущий во Вселенной. Это позволило свободно распространяться всему спектру электромагнитного излучения, учёные называют этот период эпохой реионизации.
Примерно через миллиард лет после Большого взрыва Вселенная была полностью реионизирована — однако раньше этого миллиарда мы увидеть не в состоянии. Наши нынешние инструменты не такие мощные, и это затрудняет понимание Космического рассвета.
«У большинства астрономов нет лабораторий для проведения экспериментов. Масштабы пространства и времени слишком велики, поэтому мы можем проводить эксперименты только на компьютерах, — сказал астрофизик Рахул Каннан из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. — Мы можем использовать основные уравнения физики и основные теоретические модели для репрезентации того, что происходило в ранней Вселенной».
Работа Тесана
Тесан начинает с реалистичной модели формирования галактик и нового алгоритма воспроизведения того, как свет взаимодействует с окружающим газом и реионизирует его. Кроме того, он моделирует и космическую пыль.
По словам исследователей, полученная симуляция является наиболее подробным представлением эпохи реионизации. Оно отражает физику в масштабах, в миллион раз меньших, чем моделируемые регионы. Это даёт «беспрецедентный» взгляд на то, как ранние галактики формировались и взаимодействовали с газом ранней Вселенной. Он показывает постепенное изменение по мере того, как свет начинает просачиваться через Вселенную.
«Это немного похоже на воду в формочках для кубиков льда: когда вы кладете её в морозильную камеру, через некоторое время она начинает замерзать по краям, а затем медленно схватывается внутри, — сказал Смит. — Та же ситуация была и в ранней Вселенной — это был нейтральный тёмный космос, который стал ярким и ионизированным, когда из первых галактик начал исходить свет».
Интересно, что Тесан показала, что изначально свет вообще не распространяется очень далеко. Только к концу реионизации свет может преодолевать большие расстояния. Кроме того, команда увидела, какие типы галактик оказали наибольшее влияние на реионизацию — при этом галактическая масса играла большую роль.
Нам не придется долго ждать, чтобы узнать, насколько точна эта симуляция. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) должен начать свою работу через несколько месяцев. Он частично предназначен для того, чтобы заглянуть в прошлое примерно через 300 000 лет после Большого взрыва, когда реионизация шла полным ходом.
«И это самое интересное, — сказал физик Марк Фогельсбергер из Массачусетского технологического института. — Либо наши симуляции и модель Тесан согласуются с тем, что находит JWST, что подтвердит нашу картину Вселенной, либо появятся значительные разногласия, показывающие, что наше понимание ранней Вселенной неверно».
В любом случае, мы узнаем кое-что очень интересное о загадочном рождении и ранних годах нашей Вселенной.