(Thesan Samarbejde) Der var engang, hvor vores univers ikke var andet end et uigennemsigtigt, lysløst hav af hvirvlende gas.
På det tidspunkt, hvor universet var en milliard år gammelt, havde det hele ændret sig. Stråling fra de første stjerner og galakser udløste en dramatisk ændring, som tillod lys at strømme frit over hele det elektromagnetiske spektrum.
En ny simulering, opkaldt Thesan efter den etruskiske gudinde for daggry, har givet videnskabsmænd mulighed for at undersøge universets mørke middelalder. Det er et nyt værktøj til at se i detaljer, hvordan lysene kan være tændt ved Cosmic Dawn. Og det er absolut smukt.
'Thesan fungerer som en bro til det tidlige univers,' sagde fysiker Aaron Smith fra MIT's Kavli Institut for Astrofysik og Rumforskning. 'Det er beregnet til at tjene som en ideel simuleringsmodpart til kommende observationsfaciliteter, som er klar til at ændre vores forståelse af kosmos fundamentalt.'
Det meste af det, vi ved om universet, har vi lært af lys (med den bemærkelsesværdige undtagelse af gravitationsbølger , et område inden for astronomi, der stadig er i sin vorden). Så når lyset er hindret på en eller anden måde, forårsager det en del problemer; bare se (eller ikke se, alt efter hvad der er tilfældet) på sorte huller , som ikke udsender nogen detekterbar stråling.
Det tidlige univers mellem 50 millioner og 1 milliard år efter Stort brag er et andet sådant tilfælde. Denne periode er kendt som det kosmiske daggry, det tidspunkt, hvor universet, som vi kender det i dag, lige begyndte at samle sig ud af det oprindelige plasma. Inden de første stjerner kom, var den fyldt med en varm grumset tåge af ioniseret gas. Lys var ude af stand til at rejse frit gennem denne tåge; det spredte simpelthen frie elektroner.
Når universet var kølet nok ned, begyndte protoner og elektroner at rekombinere til neutrale brintatomer. Dette betød, at lys endelig kunne rejse gennem rummet. Da de første stjerner og galakser begyndte at dannes, omkring 150 millioner år efter Big Bang, reioniserede deres ultraviolette lys gradvist det neutrale brint, der var allestedsnærværende i hele universet, hvilket tillod hele spektret af elektromagnetisk stråling at strømme frit. Dette er reioniseringens epoke.
Cirka 1 milliard år efter Big Bang var universet fuldstændig reioniseret; tidligere end denne 1 milliard år, kan vi dog ikke rigtig se med vores nuværende instrumenter, hvilket gør denne kritiske Cosmic Dawn svær at forstå.
'De fleste astronomer har ikke laboratorier at udføre eksperimenter i. Skalaerne af rum og tid er for store, så den eneste måde, vi kan lave eksperimenter på, er på computere,' sagde astrofysiker Rahul Kannan fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
'Vi er i stand til at tage grundlæggende fysikligninger og styrende teoretiske modeller for at simulere, hvad der skete i det tidlige univers.'
Thesan starter med en realistisk model for galaksedannelse sammen med en ny algoritme til at gengive, hvordan lys interagerer med og reioniserer den omgivende gas, og en model af kosmisk støv.
Disse processer og interaktioner er meget komplicerede; til at simulere en sektion af universet 300 millioner lysår på tværs, fra 400.000 til en milliard år efter Big Bang, brugte holdet en kraftig supercomputer, SuperMUC-NG-maskine, som brugte hvad der svarer til 30 millioner CPU-timer til at køre Thesan.
Den resulterende simulering er den mest detaljerede visning endnu af reioniseringsepoken, der fanger fysik på skalaer en million gange mindre end de simulerede områder, sagde forskerne. Dette giver et 'hidtil uset' blik på den måde, tidlige galakser dannes og interagerer med gassen fra det tidlige univers. Det viser en gradvis ændring, efterhånden som lyset begynder at sive gennem universet.
»Det er lidt ligesom vand i isterningbakker; når du lægger den i fryseren, tager det tid, men efter et stykke tid begynder den at fryse på kanterne og så langsomt krybe ind,' sagde Smith . 'Dette var den samme situation i det tidlige univers – det var et neutralt, mørkt kosmos, der blev lyst og ioniseret, da lys begyndte at dukke op fra de første galakser.'
Interessant nok viste Thesan, at lys i begyndelsen slet ikke rejser ret langt. Det er først mod slutningen af reioniseringen, at lys er i stand til at rejse store afstande. Holdet så også, hvilke typer galakser der havde den største indflydelse på reionisering, hvor galaktisk masse spillede en stor rolle.
Vi skal heller ikke vente længe på at finde ud af, hvor nøjagtig simuleringen er. James Webb Space Telescope (JWST) skal påbegynde videnskabelige operationer om et par måneder, og er delvist designet til at se tilbage til omkring 300.000 år efter Big Bang, hvor genioniseringen var i fuld gang.
'Og det er den interessante del' sagde fysiker Mark Vogelsberger fra MIT.
'Enten vil vores Thesan-simuleringer og model stemme overens med det, JWST finder, hvilket ville bekræfte vores billede af universet, eller også vil der være en betydelig uenighed, der viser, at vores forståelse af det tidlige univers er forkert.'
Uanset hvad, vil vi lære noget meget spændende om den mystiske fødsel og de tidlige år af vores fantastiske univers.
Forskningen er blevet offentliggjort i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .