L'universo primordiale è iniziato circa 13,8 miliardi di anni fa con una grande esplosione cosmologica che ha portato l'universo all'esistenza in modo improvviso e spettacolare. Poco dopo, l'universo neonato si raffreddò drammaticamente e divenne completamente buio. Poi, nel giro di un paio di centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, l'universo si svegliò, mentre la gravità raggruppava la materia nelle prime stelle e galassie. La luce di queste prime stelle ha trasformato il gas circostante in un plasma caldo e ionizzato, una trasformazione cruciale nota come reionizzazione cosmica che ha spinto l'universo nella complessa struttura che vediamo oggi.
Ora, gli scienziati possono ottenere una visione dettagliata di come l'universo potrebbe essersi trasformato durante questo periodo cruciale con una nuova simulazione, nota come Thesan, sviluppata da scienziati del MIT, dell'Università di Harvard e del Max Planck Institute for Astrophysics. Prende il nome dalla dea etrusca dell'alba, Thesan è progettato per simulare l'"alba cosmica", e in particolare la reionizzazione cosmica, un periodo che è stato difficile da ricostruire, in quanto comporta interazioni immensamente complicate e caotiche, comprese quelle tra gravità, gas e radiazioni.
La simulazione Thesan risolve queste interazioni con il massimo dettaglio e includendo il più grande volume rispetto a qualsiasi simulazione precedente. Lo fa combinando un modello realistico di formazione delle galassie con un nuovo algoritmo che tiene traccia di come la luce interagisce con il gas, insieme a un modello per la polvere cosmica.
Con Thesan, i ricercatori possono simulare un volume cubo dell'universo che si estende per 300 milioni di anni luce. Eseguono la simulazione in avanti nel tempo per tracciare la prima apparizione ed evoluzione di centinaia di migliaia di galassie all'interno di questo spazio, a partire da circa 400.000 anni dopo il Big Bang e attraverso il primo miliardo di anni.
Finora, le simulazioni si allineano con le poche osservazioni che gli astronomi hanno dell'universo primordiale. Man mano che vengono fatte più osservazioni di questo periodo, ad esempio con il James Webb Space Telescope appena lanciato, Thesan può aiutare a collocare tali osservazioni nel contesto cosmico. Per ora, le simulazioni stanno iniziando a far luce su alcuni processi, come ad esempio quanto lontano la luce può viaggiare nell'universo primordiale e quali galassie sono state responsabili della reionizzazione.
"Thesan funge da ponte verso l'universo primordiale", ha affermato Aaron Smith, Einstein Fellow della NASA presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. "È destinato a servire come controparte di simulazione ideale per le prossime strutture osservative, che sono pronte ad alterare radicalmente la nostra comprensione del cosmo".
Smith e Mark Vogelsberger, professore associato di fisica al MIT, Rahul Kannan dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ed Enrico Garaldi di Max Planck hanno introdotto la simulazione Thesan attraverso tre articoli, il terzo pubblicato il 24 marzo 2022, nel Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Nelle prime fasi della reionizzazione cosmica, l'universo era uno spazio oscuro e omogeneo. Per i fisici, l'evoluzione cosmica durante questi primi "secoli bui" è relativamente semplice da calcolare. "In linea di principio si potrebbe risolvere questo problema con carta e penna", ha affermato Smith. "Ma a un certo punto la gravità ha iniziato a tirare e collassare la materia insieme, all'inizio lentamente, ma poi così rapidamente che i calcoli diventano troppo complicati, e dobbiamo fare una simulazione completa".
Per simulare completamente la reionizzazione cosmica, il team ha cercato di includere il maggior numero possibile di ingredienti principali dell'universo primordiale. Hanno iniziato con un modello di successo della formazione delle galassie che i loro gruppi hanno precedentemente sviluppato, chiamato Illustris-TNG, che ha dimostrato di simulare accuratamente le proprietà e le popolazioni delle galassie in evoluzione. Hanno quindi sviluppato un nuovo codice per incorporare il modo in cui la luce delle galassie e delle stelle interagisce e reionizza il gas circostante, un processo estremamente complesso che altre simulazioni non sono state in grado di riprodurre con precisione su larga scala.
"Thesan segue come la luce di queste prime galassie interagisce con il gas nel corso dei primi miliardi di anni e trasforma l'universo da neutro a ionizzato", ha dichiarato Kannan. "In questo modo, seguiamo automaticamente il processo di reionizzazione mentre si svolge". Infine, il team ha incluso un modello preliminare di polvere cosmica, un'altra caratteristica che è unica per tali simulazioni dell'universo primordiale. Questo primo modello mira a descrivere come minuscoli granelli di materiale influenzano la formazione delle galassie nell'universo primordiale e sparso.
Con gli ingredienti della simulazione in atto, il team ha impostato le sue condizioni iniziali per circa 400.000 anni dopo il Big Bang, sulla base di misurazioni di precisione della luce reliquia del Big Bang. Hanno quindi evoluto queste condizioni in avanti nel tempo per simulare una patch dell'universo, utilizzando la macchina SuperMUC-NG, uno dei più grandi supercomputer del mondo, che ha sfruttato contemporaneamente 60.000 core di calcolo per eseguire i calcoli di Thesan su un equivalente di 30 milioni di ore di CPU (uno sforzo che avrebbe richiesto 3.500 anni per funzionare su un singolo desktop).
Le simulazioni hanno prodotto la visione più dettagliata della reionizzazione cosmica, attraverso il più grande volume di spazio mai simulato. Alcune simulazioni infatti hanno modellato grandi distanze, ma con una risoluzione relativamente bassa, mentre altre più dettagliate non coprono grandi volumi. "Stiamo collegando questi due approcci: abbiamo sia grandi volumi che alta risoluzione", ha sottolineato Vogelsberger.
Le prime analisi delle simulazioni suggeriscono che verso la fine della reionizzazione cosmica, la distanza che la luce è stata in grado di percorrere è aumentata in modo più drammatico di quanto gli scienziati avessero precedentemente ipotizzato. "Thesan ha scoperto che la luce non percorre grandi distanze all'inizio dell'universo", dice Kannan. "In effetti, questa distanza è molto piccola e diventa grande solo alla fine della reionizzazione, aumentando di un fattore 10 in poche centinaia di milioni di anni".
I ricercatori hanno visto anche indizi del tipo di galassie responsabili della reionizzazione. La massa di una galassia sembra influenzare la reionizzazione, anche se il team ha specificato che più osservazioni, prese da James Webb e altri osservatori, aiuteranno a definire queste galassie predominanti.