Big Bang har fångat vår fantasi som ingen annan teori inom vetenskapen:den magnifika, explosiv födelse av vårt universum. Men vet du vad som kom sedan?

Runt 100 miljoner år av mörker.

När kosmos så småningom lyste upp sina allra första stjärnor, de var större och ljusare än någon annan som har följt. De lyste med UV-ljus så intensivt, det förvandlade de omgivande atomerna till joner. Den kosmiska gryningen – från den första stjärnan till fullbordandet av denna 'kosmiska återjonisering', varade i ungefär en miljard år.

"Varifrån kom dessa stjärnor? Och hur blev de galaxerna - universum som myllrar av strålning och plasma - som vi ser idag? Det här är våra drivande frågor, " säger professor Michael Norman, Direktör för San Diego Supercomputer Center och huvudförfattare till en ny recension publicerad i Gränser inom astronomi och rymdvetenskap .

Universum i en låda

Forskare som professor Norman löser matematiska ekvationer i ett kubiskt virtuellt universum.

"Vi har tillbringat över 20 år med att använda och förfina denna programvara, för att bättre förstå den kosmiska gryningen."

Att börja, kod skapades som gjorde att de första stjärnorna i universum kunde modelleras. Dessa ekvationer beskriver rörelsen och kemiska reaktioner inuti gasmoln i ett universum före ljuset, och den enorma gravitationskraften av en mycket större men osynlig massa av mystisk mörk materia.

"Dessa moln av rent väte och helium kollapsade under gravitationen för att antända singel, massiva stjärnor - hundratals gånger tyngre än vår sol, " förklarar Norman.

De allra första tunga grundämnena bildades i tryckkokarkärnorna hos de första stjärnorna:bara en smula litium och beryllium. Men med döden av dessa kortlivade jättar – kollapsande och exploderande till bländande supernovor – skapades metaller tunga som järn i överflöd och sprutades ut i rymden.

Ekvationer lades till i det virtuella universum för att modellera anrikning av gasmoln med dessa nybildade metaller – som drev bildandet av en ny typ av stjärna.

"Övergången var snabb:inom 30 miljoner år, praktiskt taget alla nya stjärnor var metallberikade."

Detta trots att kemisk anrikning var lokal och långsam, lämnar mer än 80 % av det virtuella universum metallfritt i slutet av simuleringen.

"Bildandet av metallfria jättestjärnor slutade inte helt - små galaxer av dessa stjärnor borde finnas där det finns tillräckligt med mörk materia för att kyla orörda moln av väte och helium.

"Men utan denna enorma gravitationskraft, den intensiva strålningen från befintliga stjärnor värmer gasmoln och river isär deras molekyler. Så i de flesta fall, den metallfria gasen kollapsar helt för att bilda en enda, supermassivt svart hål."

Från stjärnor till galaxer

"De nya generationerna av stjärnor som bildades i galaxer är mindre och mycket fler, på grund av de kemiska reaktioner som möjliggörs med metaller, " konstaterar Norman.

Det ökade antalet reaktioner i gasmoln gjorde det möjligt för dem att fragmentera och bilda flera stjärnor via "metalllinjekylning":områden med minskad gasdensitet, där kombinerande element får utrymme att stråla ut sin energi i rymden – istället för varandra.

I detta skede har vi de första objekten i universum som med rätta kan kallas galaxer:en kombination av mörk materia, metallberikad gas, och stjärnor.

"De första galaxerna är mindre än väntat eftersom intensiv strålning från unga, massiva stjärnor driver tät gas bort från stjärnbildande regioner.

"I tur och ordning, strålning från de allra minsta galaxerna bidrog avsevärt till kosmisk återjonisering."

Dessa svårupptäckta men många galaxer kan därför stå för det förutsagda slutdatumet för den kosmiska gryningen – dvs. när den kosmiska återjoniseringen var fullbordad.

Tänker utanför boxen

Norman och kollegor förklarar hur vissa grupper övervinner datorbegränsningar i dessa numeriska simuleringar genom att importera sina färdiga resultat, eller genom att förenkla delar av en modell som är mindre relevanta för resultaten av intresse.

"Dessa semi-analytiska metoder har använts för att mer exakt bestämma hur länge massiva metallfria tidiga stjärnor skapades, hur många ska fortfarande kunna observeras, och bidraget från dessa – såväl som svarta hål och metallberikade stjärnor – till kosmisk återjonisering."

Författarna lyfter också fram områden med osäkerhet som kommer att driva en ny generation av simuleringar, använda nya koder, på framtida högpresterande datorplattformar.

"Dessa kommer att hjälpa oss att förstå rollen av magnetiska fält, Röntgenstrålar och rymddamm i gaskylning, och identiteten och beteendet hos den mystiska mörka materien som driver stjärnbildningen."