研究者らは、ビッグバン後の初期宇宙を、3億光年にわたって再現するコンピューターシミュレーションを作成しました。
「Thesan（テーサン）」と呼ばれるこのプロジェクトは、この時代についてわれわれがまだ多くを知らないため、研究者にとって重要なものです。
実際の望遠鏡による観測データは、まもなくThesanのシミュレーションと比較される予定で、この時代について現在わかっていることが確認されるか、否定されることになります。
暗闇の中でホタルが明滅しているように見えます。徐々に、ますます多くが集まり、画面を照らし出し、大きな塊や集団となっていきます。
しかし、これは昆虫に関する映像ではありません。初期宇宙のシミュレーションであり、宇宙が完全な暗闇から、光に満ちた輝かしい環境へと変化した、ビッグバン後の時代を描いたものです。
この見事な映像は、王立天文学会月報（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）に掲載が承認された3本の論文シリーズで説明されている、大規模なシミュレーション群の一部です。シミュレーションは、ハーバード・スミソニアン天体物理学センター、マサチューセッツ工科大学、マックス・プランク天体物理学研究所の研究者によって作成されたもので、最初の銀河の形成と再電離の過程をシミュレーションする上で画期的な進歩を示しています。再電離とは、宇宙空間の中性水素原子が正に帯電した、すなわち電離した水素へと変化し、光が宇宙全体に広がることを可能にする過程です。
シミュレーションの対象となった時代は再電離期と呼ばれ、約130億年前に起こりました。重力、ガス、放射線（光）の間の相互作用など、極めて複雑で混沌とした相互作用を含むため、再現は困難でした。
「天文学者の多くは、実験を行うための研究室を持っていません。空間と時間のスケールが大きすぎるため、実験を行える唯一の方法はコンピューター上なのです」と、ラフル・カナン（天体物理学者、ハーバード・スミソニアン天体物理学センター所属、シリーズ第1論文の筆頭著者）は説明します。「基本的な物理方程式と理論モデルを用いて、初期宇宙で起きたことをシミュレーションすることができるのです。」
研究チームのシミュレーションは、「Thesan」と名付けられており、これはエトルリアの暁の女神にちなんでいます。従来のどのシミュレーションよりも高い精細度で、かつ広大な領域にわたって、初期宇宙における相互作用を再現します。初期宇宙の物理現象は、シミュレーション領域の百万分の一の規模まで捉えられており、初期銀河の特性や、それらの銀河からの光がガスにどのように影響したかについて、前例のない詳細な情報を提供します。
研究チームは、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、さらに宇宙塵のモデルを組み合わせることで、これを実現しています。
Thesanを使えば、研究者は3億光年以上に及ぶ宇宙の一部をシミュレーションできます。研究チームは、シミュレーションを時間的に進めることで、この空間内に存在する数十万個の銀河が最初に出現し、進化していく様子を追跡・可視化できます。対象はビッグバンから約40万年後から始まり、最初の10億年間にわたります。
シミュレーションは、宇宙が完全な暗闇から光へと徐々に変化していく様子を明らかにしています。
「製氷皿の水のようなものです。冷凍庫に入れると時間はかかりますが、しばらくすると縁から凍り始め、ゆっくりと内側へ広がっていきます」と、共著者でありNASAアインシュタイン・フェローとしてMITのケーブリ天体物理学・宇宙研究所に所属するアーロン・スミスは語ります。「初期宇宙でも同じことが起きていました。中性で暗い宇宙が、最初の銀河から光が放たれ始めるにつれて、明るく電離した状態へと変わったのです。」
このシミュレーションは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）による観測に備えて作成されました。JWSTは、より遠い過去を観測することが可能になり、ハッブル宇宙望遠鏡などの前身の望遠鏡よりも、約135億年前までを観測できるようになります。
「JWSTをはじめとして稼働を始める多くの望遠鏡は、まさにこの時代を研究するために設計されています」とカナンは語ります。「そこで私たちのシミュレーションが役立ちます。この時代の実際の観測結果を解釈し、私たちが何を見ているのかを理解する助けとなるのです。」
研究チームによると、実際の望遠鏡による観測データは、まもなくThesanのシミュレーションと比較される予定です。
「そこが興味深い点です」と、共著者でありMITの物理学准教授であるマーク・ヴォーゲルスベルガーは語ります。「Thesanのシミュレーションとモデルが、JWSTが見出すものと一致すれば、われわれの宇宙像が裏付けられます。一方で、大きな不一致が生じれば、初期宇宙に対する理解が誤っていることになります。」
しかし研究チームは、最初の観測結果が得られるまで、モデルの様々な側面がどの程度うまく機能するかはわかりません。その観測では、銀河の特性や、初期宇宙における光の吸収と脱出など、幅広いテーマが扱われる予定です。
「私たちは、わかっていることに基づいてシミュレーションを開発しました」とカナンは語ります。「しかし、科学コミュニティはここ数年で多くを学んできたものの、特に宇宙がまだ非常に若かった初期の時代については、依然としてかなりの不確実性が残っています。」
このシミュレーションは、世界最大級のスーパーコンピューターの一つであるSuperMUC-NGを用いて、3,000万CPU時間をかけて作成されました。同じシミュレーションを通常のコンピューターで実行した場合、完了までに3,500年以上かかったはずです。
Thesanチームを構成するその他の科学者は、CfAのラーズ・ハーンクイスト、そしてマックス・プランク天体物理学研究所のエンリコ・ガラルディ、ルーディガー・パクモア、フォルカー・シュプリンゲルです。
