科学者たちが初期宇宙の最大かつ最も詳細なモデルを開発

Apr 16, 2023

すべては約138億年前、宇宙を突然、そして壮観に存在させた大きな宇宙論的な「バン」から始まりました。 そのすぐ後に、誕生したばかりの宇宙は劇的に冷えて、完全に暗くなりました。

そして、ビッグバンから数億年以内に、重力によって物質が最初の星や銀河に集められ、宇宙が目覚めました。 これらの最初の星からの光は、周囲のガスを高温の電離プラズマに変えました。これは宇宙再電離として知られる重要な変化であり、これが宇宙を今日私たちが見ているような複雑な構造へと推進しました。

現在、科学者は詳細な情報を得ることができます。MIT、ハーバード大学、マックス・プランク天体物理研究所の科学者によって開発された、Thesan として知られる新しいシミュレーションを使用して、この極めて重要な時期に宇宙がどのように展開したかを明らかにしました。

エトルリアの夜明けの女神にちなんで名付けられたテサンは、「宇宙の夜明け」、特に宇宙再電離期をシミュレートするように設計されています。宇宙再電離期は、重力、ガス、そして放射線。

Thesan シミュレーションは、これまでのシミュレーションの中で最も詳細かつ最大のボリュームでこれらの相互作用を解決します。 これは、銀河形成の現実的なモデルと、光がガスとどのように相互作用するかを追跡する新しいアルゴリズム、および宇宙塵のモデルを組み合わせることで実現されます。

Thesan を使用すると、研究者らは直径 3 億光年にわたる宇宙の立方体をシミュレートできます。 彼らは、ビッグバンの約 40 万年後から始まり、最初の 10 億年に至るまで、この空間内の数十万の銀河の最初の出現と進化を追跡するために、時間に合わせてシミュレーションを実行します。

これまでのところ、このシミュレーションは、天文学者が初期宇宙に関して行っているほとんどの観測結果と一致しています。 たとえば新しく打ち上げられたジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡など、この時期の観測がさらに増えるにつれ、テサンはそのような観測を宇宙の文脈に位置づけるのに役立つかもしれない。

今のところ、このシミュレーションにより、初期宇宙で光がどこまで到達できるか、どの銀河が再電離の原因となったかなど、特定のプロセスが明らかになり始めている。

「テサンは初期宇宙への架け橋の役割を果たしています」とマサチューセッツ工科大学カブリ天体物理学・宇宙研究所のNASAアインシュタイン研究員アーロン・スミスは言う。 「これは、宇宙に対する私たちの理解を根本的に変える準備ができている今後の観測施設の理想的なシミュレーション対応物として機能することを目的としています。」

スミス氏とマーク・フォーゲルスバーガー氏（MIT物理学准教授）、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのラーフル・カナン氏、マックス・プランクのエンリコ・ガラルディ氏は3本の論文でテサンのシミュレーションを紹介しており、3本目は王立天文学協会の月刊通知に掲載された。 。

宇宙再電離の初期段階では、宇宙は暗く均質な空間でした。 物理学者にとって、これらの初期の「暗黒時代」における宇宙の進化は比較的簡単に計算できます。

「原理的には、これは紙とペンで解決できます」とスミス氏は言う。 「しかし、ある時点で重力が物質を引き寄せて崩壊させ始めます。最初はゆっくりですが、その後は非常に早くなるため、計算が複雑になりすぎて、完全なシミュレーションを行う必要があります。」

宇宙の再電離を完全にシミュレートするために、チームは初期宇宙の主要な成分をできるだけ多く含めるように努めました。 彼らは、彼らのグループが以前に開発した、Illustris-TNG と呼ばれる銀河形成の成功モデルからスタートしました。これは、進化する銀河の特性と集団を正確にシミュレートすることが示されています。 次に、銀河や星からの光が周囲のガスとどのように相互作用して再電離するかを組み込む新しいコードを開発しました。これは、他のシミュレーションでは大規模に正確に再現できなかった非常に複雑なプロセスです。

「テサンは、これらの最初の銀河からの光が最初の10億年間にどのようにガスと相互作用し、宇宙を中性からイオン化に変えるかを追跡しています」とカンナン氏は言う。 「このようにして、再イオン化プロセスが進行するにつれて、それを自動的に追跡します。」

最後に、チームは宇宙塵の予備モデルを組み込みました。これは、このような初期宇宙のシミュレーションに特有のもう 1 つの特徴です。 この初期のモデルは、物質の小さな粒子が初期のまばらな宇宙における銀河の形成にどのような影響を与えるかを説明することを目的としています。

シミュレーションの要素を適切に整えた後、チームは、ビッグバンからの遺物光の精密測定に基づいて、ビッグバン後約 40 万年間の初期条件を設定しました。 次に、世界最大級のスーパーコンピューターの 1 つである SuperMUC-NG マシンを使用して、これらの条件を時間をかけて進化させ、3,000 万個の CPU に相当する Thesan の計算を実行するために 60,000 個のコンピューティング コアを使用しました。時間 (単一のデスクトップで実行するには 3,500 年かかる作業)。

このシミュレーションは、既存のシミュレーションの中で、最大の空間容積にわたる宇宙再電離の最も詳細なビューを生成しました。 一部のシミュレーションは長距離にわたってモデル化しますが、比較的低い解像度でモデル化しますが、より詳細なシミュレーションは大きなボリュームにまたがりません。

「私たちはこれら 2 つのアプローチの橋渡しをしています。大容量と高解像度の両方を備えています」と Vogelsberger 氏は強調します。

シミュレーションの初期の分析は、宇宙の再電離の終わりに向けて、光が到達できる距離が科学者が以前に想定していたよりも劇的に増加したことを示唆しています。

「テサンは、宇宙の初期には光が長距離を移動しないことを発見しました」とカンナン氏は言う。 「実際、この距離は非常に小さく、再電離の最後にのみ大きくなり、わずか数億年で10倍に増加します。」

研究者らはまた、再電離を引き起こす原因となる銀河の種類についてのヒントも発見した。 銀河の質量は再電離に影響を与えているようだが、研究チームは、ジェームス・ウェッブや他の天文台によるさらなる観測が、これらの支配的な銀河を突き止めるのに役立つだろうと述べている。

「[宇宙再電離のモデル化]には変動する部分がたくさんあります」とフォーゲルスバーガー氏は結論づけています。 「これらすべてを何らかの機械に組み込んで稼働させることができ、ダイナミックな宇宙が生み出されるとき、それは私たち全員にとって非常にやりがいのある瞬間です。」

この研究は、NASA、国立科学財団、ガウス スーパーコンピューティング センターの一部によって支援されました。

- このプレスリリースはもともとマサチューセッツ工科大学の Web サイトに掲載されたものです