De oerknal heeft tot onze verbeelding gesproken als geen andere theorie in de wetenschap:de magnifieke, explosieve geboorte van ons universum. Maar weet je wat er daarna kwam?

Ongeveer 100 miljoen jaar duisternis.

Toen de kosmos uiteindelijk zijn allereerste sterren verlichtte, ze waren groter en helderder dan alle andere die volgden. Ze schenen met zo intens UV-licht, het veranderde de omringende atomen in ionen. De Kosmische Dageraad - van de eerste ster tot de voltooiing van deze 'kosmische reïonisatie', duurde ongeveer een miljard jaar.

"Waar kwamen deze sterren vandaan? En hoe werden ze de sterrenstelsels - het heelal dat wemelt van straling en plasma - die we vandaag zien? Dit zijn onze drijvende vragen, " zegt professor Michael Norman, Directeur van het San Diego Supercomputer Center en hoofdauteur van een nieuwe recensie gepubliceerd in: Grenzen in astronomie en ruimtewetenschappen .

Het universum in een doos

Onderzoekers zoals professor Norman lossen wiskundige vergelijkingen op in een kubusvormig virtueel universum.

"We hebben meer dan 20 jaar besteed aan het gebruiken en verfijnen van deze software, om de Kosmische Dageraad beter te begrijpen."

Beginnen, code werd gemaakt waarmee de vorming van de eerste sterren in het universum kon worden gemodelleerd. Deze vergelijkingen beschrijven de beweging en chemische reacties in gaswolken in een heelal voor het licht, en de immense zwaartekracht van een veel grotere maar onzichtbare massa mysterieuze donkere materie.

"Deze wolken van pure waterstof en helium stortten in onder de zwaartekracht om enkele, massieve sterren - honderden keren zwaarder dan onze zon, " legt Norman uit.

De allereerste zware elementen vormden zich in de snelkookpankernen van de eerste sterren:slechts een vleugje lithium en beryllium. Maar met de dood van deze kortlevende reuzen - die instortten en explodeerden in oogverblindende supernova's - werden metalen zo zwaar als ijzer in overvloed gecreëerd en de ruimte in gespoten.

Er werden vergelijkingen toegevoegd aan het virtuele heelal om de verrijking van gaswolken met deze nieuw gevormde metalen te modelleren - die de vorming van een nieuw type ster aanstuurden.

"De overgang was snel:binnen 30 miljoen jaar, vrijwel alle nieuwe sterren waren met metaal verrijkt."

Dit ondanks het feit dat chemische verrijking plaatselijk en langzaam was, aan het einde van de simulatie meer dan 80% van het virtuele universum metaalvrij achterlatend.

"De vorming van metaalvrije reuzensterren stopte niet helemaal - er zouden kleine sterrenstelsels van deze sterren moeten bestaan ​​​​waar voldoende donkere materie is om ongerepte wolken van waterstof en helium te koelen.

"Maar zonder deze enorme aantrekkingskracht, de intense straling van bestaande sterren verwarmt gaswolken en scheurt hun moleculen uit elkaar. Dus in de meeste gevallen het metaalvrije gas stort volledig in tot een enkele, superzwaar zwart gat."

Van sterren tot sterrenstelsels

"De nieuwe generaties sterren die in sterrenstelsels zijn gevormd, zijn kleiner en veel talrijker, vanwege de chemische reacties die mogelijk zijn gemaakt met metalen, ’ merkt Norman op.

Door het toegenomen aantal reacties in gaswolken konden ze fragmenteren en meerdere sterren vormen via 'metal line cooling':traktaten met verminderde gasdichtheid, waar het combineren van elementen ruimte krijgt om hun energie de ruimte in te stralen - in plaats van elkaar.

In dit stadium hebben we de eerste objecten in het heelal die met recht sterrenstelsels kunnen worden genoemd:een combinatie van donkere materie, met metaal verrijkt gas, en sterren.

"De eerste sterrenstelsels zijn kleiner dan verwacht omdat intense straling van jonge, massieve sterren drijven dicht gas weg van stervormingsgebieden.

"Beurtelings, straling van de allerkleinste sterrenstelsels heeft aanzienlijk bijgedragen aan kosmische reïonisatie."

Deze moeilijk te detecteren maar talrijke sterrenstelsels kunnen daarom de voorspelde einddatum van de kosmische dageraad verklaren, d.w.z. toen de kosmische reïonisatie voltooid was.

outside-the-box denken

Norman en collega's leggen uit hoe sommige groepen computerbeperkingen in deze numerieke simulaties overwinnen door hun kant-en-klare resultaten te importeren, of door delen van een model te vereenvoudigen die minder relevant zijn voor de uitkomsten van belang.

"Deze semi-analytische methoden zijn gebruikt om nauwkeuriger te bepalen hoe lang massieve metaalvrije vroege sterren werden gecreëerd, hoeveel moeten er nog waarneembaar zijn, en de bijdrage van deze - evenals zwarte gaten en met metaal verrijkte sterren - aan kosmische reïonisatie."

De auteurs benadrukken ook gebieden van onzekerheid die een nieuwe generatie simulaties zullen aansturen, nieuwe codes gebruiken, op toekomstige high-performance computerplatforms.

"Deze zullen ons helpen de rol van magnetische velden te begrijpen, Röntgenstraling en ruimtestof bij gaskoeling, en de identiteit en het gedrag van de mysterieuze donkere materie die de stervorming aandrijft."