Cosmic Dawn III 以前所未有的分辨率再现了再电离时代

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物理学家对宇宙的最初十亿年产生了浓厚的兴趣——从大爆炸到星系开始形成的第一批恒星形成之间的这段时间。 在这一时期的最后 6 亿年左右,中性星际星系介质——甚至是前星系介质——被最早的、正在生长的星系中发光的第一批恒星发出的紫外线辐射电离。 对这一段被称为“再电离时代”或 EoR 的物理学的理解将把现代宇宙的物理学与大爆炸联系起来。

德克萨斯大学奥斯汀分校的理论天体物理学家保罗夏皮罗说:“再电离时代代表了宇宙演化故事中宇宙的最后一次重大转变,“从那时起,所有空间都充满了几乎没有特征的同质物质。气体进入结构出现的阶段,第一个星系形成并在其中形成恒星。”

直接观察遥远的再电离源具有挑战性,迄今为止,探测仅限于最亮的星系。 物理学家使用计算机模拟来重现 EoR 的丰富物理特性。 4 月 10 日,在 APS 2022 年 4 月会议期间,来自德克萨斯大学奥斯汀分校的理论天体物理学家 Paul Shapiro 将介绍 Cosmic Dawn III (CoDa) 项目的亮点和观测预测,这是迄今为止对 EoR 进行的最大的辐射流体动力学模拟。

用 CoDa III 模拟 EoR 需要大量的计算工作。 拥有一万亿个计算元素——81923 个暗物质粒子和 81923 个气体和辐射细胞,分布在今天 3 亿光年的区域内——该模型具有足够高的分辨率,可以跟踪所有新形成的星系晕,这些晕圈是该体积中再电离的源头,嗯超出了普通电脑的能力范围。 在位于田纳西州橡树岭国家实验室的大规模并行超级计算机 Summit 上,该模拟在 131,072 个处理器和 24,576 个图形处理单元上运行了 10 天。

夏皮罗说,大小并不是 CoDa III 模拟的唯一显着特征。 跟踪星系形成和再电离的演化需要考虑一个相互反馈的过程:从星系泄漏的电离辐射必须加热星系间介质。 反过来,额外的热量使气体加压到足以抵抗附近星系的引力。 由于气体本来会促进恒星形成,因此这一过程的最终结果是阻碍新恒星的形成。

以前的模型已经分离了这些影响,但夏皮罗说,CoDa III 可以同时模拟气体和物质的引力动力学,同时考虑电离辐射及其对气体的影响。 如果没有辐射转移,进化模型中的时间将不得不分成足够小的步长,以代表气体、恒星和暗物质的密度变化。 增加这个反馈回路意味着时间步长必须小数百倍才能捕捉到“电离表面”的高速——快速膨胀的电离气泡从新形成的星系向外奔跑并席卷整个宇宙。 夏皮罗说,Summit 超级计算机上连接的处理器和 GPU 使得求解这些方程几乎与模型不包括辐射一样快。

值得注意的是,Shapiro 说,CoDa III 解决了 EoR 研究中出现的理论和观测数据之间的问题。 也就是说,先前模型的理论预测与在 EoR 结束时及之后探测宇宙的类星体吸收光谱的观察结果不一致。 这个问题在 CoDa III 中消失了,因为模拟产生了与最新观察结果一致的自洽预测。

夏皮罗预测,对 EoR 的研究将在未来几年内经历其自身的快速扩张。 2021 年 12 月发射的詹姆斯韦伯太空望远镜和计划于 2027 年发射的南希格雷斯罗马太空望远镜等天基天文台以及超大望远镜等地面项目​​将提高天文学家的能力观察遥远的再电离驱动因素。 目前和即将进行的无线电调查可以帮助研究人员更好地限制 IGM 被电离的结块、不均匀的方式。

夏皮罗说,像宇宙黎明这样的模拟,为这些复杂的望远镜将看到的东西提供了理论基础。 “除了匹配现有的观测范围和预测新的观测范围之外,”他说,“它还提供了对发生的物理过程性质的关键洞察。”