Adını şafak tanrıçasından alan Thesan simülasyonu, ilk milyar yılda  radyasyonun erken evreni nasıl şekillendirdiğini açıklamaya yardımcı oluyor.

Her şey yaklaşık 13,8 milyar yıl önce, evreni aniden ve muhteşem bir şekilde var eden büyük, kozmolojik bir “patlama” ile başlar. Kısa bir süre sonra, bebek evren çarpıcı biçimde soğur ve tamamen kararır.

Ardından, Büyük Patlamadan birkaç yüz milyon yıl sonra, kütle çekimi maddeyi ilk yıldızlara ve galaksilere topladığında evren uyanmaya başlar. Bu ilk yıldızlardan gelen ışık, çevreleyen gazı sıcak, iyonize bir plazmaya dönüştürür. Evreni bugün gördüğümüz karmaşık yapıya iten kozmik yeniden iyonlaşma olarak bilinen çok önemli bir dönüşümdür bu.

Günümüzde, MIT, Harvard Üniversitesi ve Max Planck Astrofizik Enstitüsü’ndeki bilim insanları tarafından geliştirilen Thesan olarak isimlendirilen yeni bir simülasyonla evrenin bu önemli dönemde nasıl ortaya çıkmış olabileceğine dair ayrıntılı bir görüş öne sürüldü.

Adını Etrüsklerin şafak tanrıçasından alan Thesan simülasyonu, bu etkileşimleri en yüksek ayrıntılarıyla, gerçekçi bir galaksi oluşumu modelini, ışığın gazla nasıl etkileşmeye girdiğini izleyen yeni bir algoritmayla ve kozmik toz için yeni bir modelle birleştirdi.

Thesan ile araştırmacılar, 300 milyon ışık yılı boyunca uzanan evrenin kübik hacmini simüle edebildiler. Büyük Patlamadan yaklaşık 400 bin yıl sonra başlayan ve ilk milyar yıl boyunca uzaydaki yüz binlerce galaksinin ilk görünümünü ve evrimini izlemek için simülasyonu zamanda ileriye doğru yürüttüler.

Şimdiye kadar yapılan simülasyonlar, astronomların erken evren hakkında sahip oldukları birkaç gözlemle uyumluydu. Bu döneme ilişkin daha fazla gözlem yapıldıkça, örneğin yeni fırlatılan James Webb Uzay Teleskobu ile Thesan bu tür gözlemleri kozmik bağlama yerleştirmeye yardımcı olabilir.

Yani önceki simülasyonlar, erken evrende ışığın ne kadar uzağa seyahat edebileceği ve hangi galaksilerin yeniden iyonlaşmadan sorumlu olduğu gibi belirli süreçlere ışık tutuyordu.

MIT’nin Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü’nden Aaron Smith, “Thesan erken evrene bir köprü görevi görüyor. Kozmos anlayışımızı temelden değiştirmeye hazır olan gelecek gözlem tesisleri için ideal bir simülasyon muadili olarak hizmet etmesi amaçlanıyor” diyor.

Işığı takip et

Kozmik yeniden iyonlaşmanın ilk aşamalarında, evren karanlık ve homojen bir alandı. Fizikçiler için, bu erken “karanlık çağlar” sırasındaki kozmik evrimi hesaplamak nispeten basittir.

Smith, “Prensipte bunu kalem ve kağıtla çözebilirsiniz. Fakat bir noktada kütle çekimi maddeyi çekmeye ve çökertmeye başlar, ilk başta yavaş ama sonra o kadar hızlanır ki, hesaplamalar çok karmaşık hale gelir ve bu noktada tam bir simülasyon yapmamız gerekir” diyor.

Ekip, kozmik yeniden iyonlaşmayı tam olarak simüle etmek için erken evrenin mümkün olduğu kadar çok ana bileşenini dahil etmeye çalıştı. Gruplarının daha önce geliştirdiği, gelişen gökadaların özelliklerini ve popülasyonlarını doğru bir şekilde simüle ettiği gösterilen Illustris-TNG adlı başarılı bir gökada oluşumu modeliyle işe başladılar.

Daha sonra galaksilerden ve yıldızlardan gelen ışığın çevredeki gazla nasıl etkileşime girdiğini ve onu yeniden iyonize ettiğini dahil etmek için yeni bir kod geliştirdiler.  Bu, daha önceki simülasyonların büyük ölçekte doğru bir şekilde yeniden üretemediği son derece karmaşık bir süreçti.

Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi’nden Rahul Kannan, “Thesan, bu ilk galaksilerden gelen ışığın ilk milyar yıl boyunca gazla nasıl etkileştiğini ve evreni nötrden iyonize hale nasıl dönüştürdüğünü izliyor. Bu şekilde, yeniden iyonlaşma  ortaya çıktıkça sürecini otomatik olarak takip ediyoruz” diyor.

Son olarak, ekip, erken evrenin bu tür simülasyonlarına özgü bir başka özellik olan kozmik tozun bir ön modelini işleme dahil etti. Bu erken model, küçük malzeme taneciklerinin erken, seyrek evrendeki galaksilerin oluşumunu nasıl etkilediğini açıklamayı amaçlamaktaydı.

Gaz ve radyasyon evriminin Thesan simülasyonu, nötr hidrojen gazının işlenmesini gösteriyor. Yoğunluğu ve parlaklığı temsil eden renkler, yüksek yoğunluklu nötr gaz filamentlerinden oluşan bir ağ içindeki düzensiz yeniden iyonlaşma yapısını ortaya çıkarıyor.

kozmik köprü

Simülasyonun bileşenleri yerindeyken, ekip, Büyük Patlamadan gelen kalıntı ışığın hassas ölçümlerine dayanarak, Büyük Patlamadan sonraki yaklaşık 400 bin yıl için başlangıç ​​koşullarını belirledi. Daha sonra, dünyanın en büyük bilgisayarlarından biri olan Süper MUC-NG’yi kullanarak evrenin bir parçasını simüle etmek için bu koşulları zamanda ileriye doğru geliştirdiler.

Thesan’ın hesaplamalarını 30 milyon CPU’ya eşdeğer bir şekilde gerçekleştirmek için eşzamanlı olarak 60 bin bilgi işlem çekirdeğinden (Bir PC’de 3 bin 500 yıl sürecek bir çalışma) yararlandılar.

Simülasyonlar sonucu, en büyük uzay hacminde kozmik yeniden iyonlaşmanın en ayrıntılı görünümü üretildi. Bazı simülasyonlar büyük mesafeler boyunca nispeten düşük çözünürlükte modelleme yaparken, daha ayrıntılı simülasyonlar büyük hacimleri kapsamıyordu.

MIT’de astrofizikçi Mark Vogelsberger, “Bu iki yaklaşımı birleştiriyoruz: Hem büyük hacme hem de yüksek çözünürlüğe sahibiz” diye vurguluyor. Simülasyonların ilk analizleri, kozmik yeniden iyonlaşmanın sonuna doğru, ışığın seyahat edebildiği mesafenin, bilim insanlarının daha önce varsaydığından daha çarpıcı bir şekilde arttığını gösteriyor.

Kannan, “Thesan, ışığın evrenin erken dönemlerinde büyük mesafeler kat etmediğini keşfetti. Aslında, bu mesafe çok küçüktür ve yalnızca yeniden iyonlaşmanın en sonunda büyür, sadece birkaç yüz milyon yılda 10 kat artar” diyor.

Araştırmacılar ayrıca yeniden iyonlaşmayı sağlamaktan sorumlu olan gökada türlerinin ipuçlarını da görüyorlar. Ekip, James Webb ve diğer gözlemevleri tarafından alınan daha fazla gözlemin bu baskın galaksileri tespit etmeye yardımcı olacağını söylese de, bir galaksinin kütlesi yeniden iyonlaşmayı etkiliyor gibi görünüyor.

Vogelsberger, “Kozmik yeniden iyonlaşmayı modellemede çok sayıda hareketli parça var. Bütün bunları bir tür makinede bir araya getirip çalıştırmaya başladığımızda ve dinamik bir evren oluşturduğumuzda, bu hepimiz için oldukça tatmin edici bir andı” diyor.