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과학자들이 초기 우주의 가장 크고 가장 상세한 모델을 개발하다

Apr 16, 2023Apr 16, 2023

이 모든 것은 약 138억년 전에 우주를 갑자기 그리고 극적으로 존재하게 만든 커다란 우주론적 '폭발'과 함께 시작되었습니다. 얼마 지나지 않아 초기 우주는 극적으로 냉각되어 완전히 어두워졌습니다.

그러다가 빅뱅 이후 수억 년이 채 지나지 않아 중력이 물질을 모아 최초의 별과 은하계를 형성하면서 우주가 깨어났습니다. 이 첫 번째 별에서 나온 빛은 주변 가스를 뜨겁고 이온화된 플라즈마로 바꾸었습니다. 이는 우주를 오늘날 우리가 볼 수 있는 복잡한 구조로 추진한 우주 재이온화라고 알려진 중요한 변화입니다.

이제 과학자들은 자세한 내용을 얻을 수 있습니다.MIT, 하버드 대학, 막스 플랑크 천체물리학 연구소의 과학자들이 개발한 Thesan이라는 새로운 시뮬레이션을 통해 이 중추적인 기간 동안 우주가 어떻게 전개되었을 수 있는지에 대한 관점을 제시합니다.

에트루리아의 새벽 여신의 이름을 딴 테산(Thesan)은 "우주의 새벽", 특히 우주 재이온화를 시뮬레이션하기 위해 설계되었습니다. 그리고 방사선.

Thesan 시뮬레이션은 이전 시뮬레이션보다 가장 세밀하고 가장 큰 볼륨으로 이러한 상호 작용을 해결합니다. 이는 우주 먼지 모델과 함께 빛이 가스와 어떻게 상호 작용하는지 추적하는 새로운 알고리즘과 현실적인 은하 형성 모델을 결합함으로써 이를 수행합니다.

Thesan을 사용하여 연구원들은 3억 광년에 걸쳐 있는 우주의 입방체 부피를 시뮬레이션할 수 있습니다. 그들은 빅뱅 이후 약 400,000년부터 처음 10억년까지 이 공간 내에서 수십만 개의 은하의 첫 출현과 진화를 추적하기 위해 시간에 맞춰 시뮬레이션을 실행합니다.

지금까지의 시뮬레이션은 천문학자들이 초기 우주에 대해 거의 관찰하지 못한 것과 일치합니다. 예를 들어 새로 출시된 James Webb 우주 망원경을 통해 이 기간에 대해 더 많은 관측이 이루어짐에 따라 Thesan은 그러한 관측을 우주적 맥락에 배치하는 데 도움이 될 수 있습니다.

현재로서는 시뮬레이션을 통해 초기 우주에서 빛이 얼마나 멀리 이동할 수 있는지, 어떤 은하가 재이온화를 담당했는지와 같은 특정 과정을 밝히기 시작했습니다.

MIT Kavli 천체 물리학 및 우주 연구 연구소의 NASA 아인슈타인 펠로우인 Aaron Smith는 "테산은 초기 우주로 가는 다리 역할을 합니다"라고 말합니다. "우주에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꿀 준비가 되어 있는 다가오는 관측 시설에 대한 이상적인 시뮬레이션 대응 역할을 하도록 의도되었습니다."

Smith와 MIT 물리학 부교수인 Mark Vogelsberger, Harvard-Smithsonian 천체물리학 센터의 Rahul Kannan, Max Planck의 Enrico Garaldi가 3편의 논문을 통해 Thesan 시뮬레이션을 소개했으며, 세 번째 논문은 Royal Astronomical Society의 월간 공지에 게재되었습니다. .

우주 재이온화의 초기 단계에서 우주는 어둡고 균질한 공간이었습니다. 물리학자들의 경우, 이러한 초기 "암흑기" 동안의 우주 진화는 계산하기가 상대적으로 간단합니다.

"원칙적으로는 펜과 종이를 사용하여 이 작업을 수행할 수 있습니다"라고 Smith는 말합니다. "그러나 어떤 시점에서 중력은 물질을 함께 끌어당기고 붕괴시키기 시작합니다. 처음에는 천천히, 그러나 너무 빨리 계산이 너무 복잡해지기 때문에 전체 시뮬레이션을 수행해야 합니다."

우주 재이온화를 완전히 시뮬레이션하기 위해 팀은 초기 우주의 주요 성분을 최대한 많이 포함하려고 했습니다. 그들은 진화하는 은하의 특성과 인구를 정확하게 시뮬레이션하는 것으로 밝혀진 Illustris-TNG라고 불리는 그들의 그룹이 이전에 개발한 성공적인 은하 형성 모델로 시작했습니다. 그런 다음 그들은 은하와 별의 빛이 주변 가스와 상호 작용하고 재이온화하는 방법을 통합하는 새로운 코드를 개발했습니다. 이는 다른 시뮬레이션이 대규모로 정확하게 재현할 수 없는 매우 복잡한 프로세스입니다.

"테산은 이 최초의 은하에서 나온 빛이 어떻게 처음 10억 년 동안 가스와 상호 작용하고 우주를 중성에서 이온화로 변화시키는지를 추적합니다."라고 Kannan은 말합니다. "이 방법으로 우리는 재이온화 과정이 진행되는 과정을 자동으로 따라갑니다."