Une nouvelle simulation gobsmacking montre comment les lumières se sont allumées dans notre univers

Il fut un temps où notre Univers n’était rien d’autre qu’une mer opaque et sans lumière de gaz tourbillonnant.

Au moment où l’Univers avait un milliard d’années, cependant, tout avait changé. Le rayonnement des premières étoiles et galaxies a provoqué une altération spectaculaire, permettant à la lumière de circuler librement sur tout le spectre électromagnétique.

Une nouvelle simulation, nommée Thesan d’après la déesse étrusque de l’aube, a permis aux scientifiques de sonder l’âge sombre de l’Univers. C’est un nouvel outil pour voir en détail comment les lumières ont pu s’allumer, à l’Aube Cosmique. Et c’est absolument magnifique.

“Thesan agit comme un pont vers l’Univers primitif”, a déclaré le physicien Aaron Smith de l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. “Il est destiné à servir de contrepartie de simulation idéale pour les installations d’observation à venir, qui sont sur le point de modifier fondamentalement notre compréhension du cosmos.”

La plupart de ce que nous savons de l’Univers, nous l’avons appris de la lumière (à l’exception notable des ondes gravitationnelles, un domaine de l’astronomie encore à ses balbutiements). Ainsi, lorsque la lumière est entravée d’une manière ou d’une autre, cela cause pas mal de problèmes ; regardez (ou ne regardez pas, selon le cas) les trous noirs, qui n’émettent aucun rayonnement détectable.

L’Univers primordial entre 50 millions et 1 milliard d’années après le Big Bang en est un autre exemple. Cette période est connue sous le nom d’Aube Cosmique, le moment où l’Univers tel que nous le connaissons aujourd’hui commençait tout juste à se rassembler à partir du plasma primordial. Avant l’arrivée des premières étoiles, il était rempli d’un brouillard chaud et trouble de gaz ionisé. La lumière était incapable de voyager librement à travers ce brouillard ; il a simplement dispersé des électrons libres.

Une fois que l’Univers s’est suffisamment refroidi, les protons et les électrons ont commencé à se recombiner en atomes d’hydrogène neutres. Cela signifiait que la lumière pouvait enfin voyager dans l’espace. Lorsque les premières étoiles et galaxies ont commencé à se former, environ 150 millions d’années après le Big Bang, leur lumière ultraviolette a progressivement réionisé l’hydrogène neutre omniprésent dans l’Univers, permettant à tout le spectre du rayonnement électromagnétique de circuler librement. C’est l’époque de la réionisation.

Environ 1 milliard d’années après le Big Bang, l’Univers était complètement réionisé ; plus tôt que cette marque d’un milliard d’années, cependant, nous ne pouvons pas vraiment voir avec nos instruments actuels, ce qui rend cette aube cosmique critique difficile à comprendre.

“La plupart des astronomes n’ont pas de laboratoires pour mener des expériences. Les échelles d’espace et de temps sont trop grandes, donc la seule façon de faire des expériences est sur les ordinateurs”, a déclaré l’astrophysicien Rahul Kannan du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

“Nous sommes capables de prendre des équations physiques de base et des modèles théoriques directeurs pour simuler ce qui s’est passé dans l’Univers primitif.”

Thesan commence par un modèle réaliste de formation de galaxies, ainsi qu’un nouvel algorithme pour reproduire comment la lumière interagit avec et réionise le gaz ambiant, et un modèle de poussière cosmique.

Ces processus et interactions sont très compliqués ; Pour simuler une section de l’Univers de 300 millions d’années-lumière de diamètre, de 400 000 à un milliard d’années après le Big Bang, l’équipe a utilisé un superordinateur puissant, la machine SuperMUC-NG, qui a utilisé l’équivalent de 30 millions d’heures CPU pour faire fonctionner Thesan.

La simulation qui en résulte est la vue la plus détaillée à ce jour de l’époque de la réionisation, capturant la physique à des échelles un million de fois plus petites que les régions simulées, ont déclaré les chercheurs. Cela donne un aperçu “sans précédent” de la façon dont les premières galaxies se sont formées et ont interagi avec le gaz de l’Univers primitif. Il montre un changement graduel à mesure que la lumière commence à s’infiltrer dans l’Univers.

“C’est un peu comme de l’eau dans des bacs à glaçons ; lorsque vous la mettez au congélateur, cela prend du temps, mais au bout d’un moment, elle commence à geler sur les bords, puis s’infiltre lentement”, a déclaré Smith. “C’était la même situation dans l’Univers primitif – c’était un cosmos neutre et sombre qui est devenu brillant et ionisé lorsque la lumière a commencé à émerger des premières galaxies.”

Fait intéressant, Thesan a montré qu’au départ, la lumière ne voyage pas du tout très loin. Ce n’est que vers la fin de la réionisation que la lumière est capable de parcourir de grandes distances. L’équipe a également vu quels types de galaxies avaient la plus grande influence sur la réionisation, la masse galactique jouant un rôle important.

Nous n’aurons pas longtemps à attendre pour savoir à quel point la simulation est précise. Le télescope spatial James Webb (JWST) doit commencer ses opérations scientifiques dans quelques mois et est partiellement conçu pour remonter à environ 300 000 ans après le Big Bang, lorsque la réionisation battait son plein.

“Et c’est la partie intéressante”, a déclaré le physicien Mark Vogelsberger du MIT.

“Soit nos simulations et notre modèle thésan concordent avec ce que JWST trouve, ce qui confirmerait notre image de l’Univers, soit il y aura un désaccord important montrant que notre compréhension de l’Univers primitif est erronée.”

Quoi qu’il en soit, nous allons apprendre quelque chose de très excitant sur la naissance mystérieuse et les premières années de notre incroyable univers.

La recherche a été publiée dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

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