Cosmic Dawn III stellt die Epoche der Reionisierung in beispielloser Auflösung nach

Physiker beschäftigen sich intensiv mit den ersten Milliarden Jahren des Universums – der Zeitspanne zwischen dem Urknall und der Entstehung der ersten Sterne, in der sich Galaxien zu bilden begannen. Während der letzten etwa 600 Millionen Jahre dieser Periode wurde das neutrale interstellare galaktische Medium – und sogar das vorgalaktische Medium – mit ultravioletter Strahlung ionisiert, die von den ersten Sternen ausgestrahlt wurde, die in den frühesten wachsenden Galaxien leuchteten. Ein Verständnis der Physik dieser Strecke, die als „Epoche der Reionisierung“ oder EoR bezeichnet wird, würde die Physik des modernen Universums mit dem Urknall verbinden.

„Die Epoche der Reionisierung stellt den letzten großen Übergang des Universums in der Geschichte der kosmischen Evolution dar“, sagt der theoretische Astrophysiker Paul Shapiro von der University of Texas in Austin, „von der Phase an, als der gesamte Weltraum mit einer nahezu strukturlosen, homogenen Materie gefüllt war Gas in die Phase, in der die Struktur entstand, mit den ersten Galaxien, die sich bildeten, und in ihnen Sterne.“

Die direkte Beobachtung der entfernten Quellen der Reionisation ist eine Herausforderung, und Nachweise sind bisher auf die hellsten Galaxien beschränkt. Physiker verwenden Computersimulationen, um die reichhaltige Physik des EoR nachzubilden. Am 10. April wird der theoretische Astrophysiker Paul Shapiro von der University of Texas at Austin während des APS April Meeting 2022 Höhepunkte und Beobachtungsvorhersagen aus dem Cosmic Dawn III (CoDa) Project präsentieren, der bisher größten Strahlungs-Hydrodynamik-Simulation des EoR.

Die Simulation des EoR mit CoDa III erforderte viel Rechenleistung. Mit einer Billion Berechnungselementen – 81923 Teilchen aus dunkler Materie und 81923 Gas- und Strahlungszellen in einer Region mit einem Durchmesser von heute 300 Millionen Lichtjahren – hatte das Modell eine Auflösung, die hoch genug war, um alle neu entstehenden galaktischen Halos zu verfolgen, die die Reionisation in diesem Volumen verursachten außerhalb der Reichweite gewöhnlicher Computer. Die Simulation lief 10 Tage lang auf 131.072 Prozessoren, die mit 24.576 Grafikverarbeitungseinheiten auf dem massiv parallelen Supercomputer Summit im Oak Ridge National Laboratory in Tennessee gekoppelt waren.

Größe ist nicht das einzige bemerkenswerte Merkmal der CoDa III-Simulation, sagt Shapiro. Um die Entwicklung der Galaxienbildung und Reionisierung zu verfolgen, muss ein gegenseitiger Rückkopplungsprozess berücksichtigt werden: Ionisierende Strahlung, die aus Galaxien austritt, musste das intergalaktische Medium erwärmen. Diese zusätzliche Wärme wiederum setzte Gas unter Druck, um der Anziehungskraft naher Galaxien zu widerstehen. Da das Gas sonst die Entstehung von Sternen angeheizt hätte, besteht das Nettoergebnis dieses Prozesses darin, neue Sterne zu verhindern.

Frühere Modelle haben diese Effekte getrennt, aber Shapiro sagt, dass CoDa III die Gravitationsdynamik von Gas und Materie zusammen simulieren kann, während ionisierende Strahlung und ihre Wirkung auf das Gas berücksichtigt werden. Ohne Strahlungstransfer müsste die Zeit im Evolutionsmodell in Schritte unterteilt werden, die klein genug sind, um die sich ändernden Dichten von Gas und Sternen und dunkler Materie darzustellen. Das Hinzufügen dieser Rückkopplungsschleife bedeutet, dass die Zeitschritte hundertmal kleiner sein müssen, um die hohe Geschwindigkeit der „Ionisationsoberflächen“ einzufangen – schnell expandierende ionisierende Blasen, die von neu gebildeten Galaxien nach außen rasen und über das Universum fegen. Die verbundenen Prozessoren und GPUs des Summit-Supercomputers, sagt Shapiro, ermöglichten es, diese Gleichungen fast so schnell zu lösen, als ob das Modell keine Strahlung enthalten würde.

Insbesondere, sagt Shapiro, löst CoDa III ein Problem zwischen Theorie und Beobachtungsdaten, das in EoR-Studien aufgetaucht ist; nämlich, dass die theoretischen Vorhersagen früherer Modelle nicht mit Beobachtungen von Quasar-Absorptionsspektren übereinstimmen, die das Universum am Ende des EoR und danach untersuchen. Dieses Problem verschwindet in CoDa III, da die Simulation selbstkonsistente Vorhersagen liefert, die mit den neuesten Beobachtungen übereinstimmen.

Shapiro sagt voraus, dass die Untersuchung des EoR in den kommenden Jahren eine eigene rasche Expansion erfahren wird. Weltraumgestützte Observatorien wie das James Webb Space Telescope, das im Dezember 2021 gestartet wurde, und das Nancy Grace Roman Space Telescope, dessen Start für 2027 geplant ist, sowie bodengestützte Projekte wie das Extremely Large Telescope werden die Fähigkeiten der Astronomen verbessern um die weit entfernten Treiber der Reionisierung zu beobachten. Gegenwärtige und kommende Radiountersuchungen könnten den Forschern helfen, die klumpige, inhomogene Art und Weise, wie das IGM ionisiert wurde, besser einzugrenzen.

Simulationen wie Cosmic Dawn, sagt Shapiro, liefern eine theoretische Grundlage dafür, was diese hochentwickelten Teleskope sehen werden. „Abgesehen davon, dass es das bestehende Spektrum an Beobachtungen abgleicht und neue vorhersagt“, sagt er, „bietet es einen kritischen Einblick in die Natur der physikalischen Prozesse, die stattgefunden haben.“