Недостающий ингредиент раскрывает, как формировались галактики на заре времен

Фото из открытых источников

Давным-давно существовало время, когда галактики ещё не сформировались из первобытной материи, заполнившей зарождающуюся Вселенную после Большого взрыва.

Как происходил этот процесс и из чего состояла эта материя, долгое время оставалось загадкой. Однако теперь ученые, возможно, приблизили нас к пониманию того, как формировались и эволюционировали галактики, — благодаря более мощным моделям хаоса пыли, новорожденных звезд и сложной химии на заре времен. Статья с исследованием была опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Результаты показывают, что многочисленные крупные галактики, наблюдаемые телескопом JWST на более ранних этапах развития Вселенной, чем мы считали возможным, могут формироваться без нарушения наших нынешних моделей, если в моделирование будет включено больше деталей.

«Считалось, что некоторые ранние результаты, полученные с помощью телескопа JWST, ставят под сомнение стандартную космологическую модель», — говорит астроном Евгений Чайкин из Лейденского университета в Нидерландах. «Как только ключевые физические процессы будут представлены более реалистично, модель окажется согласующейся с тем, что мы видим».

После Большого взрыва космос представлял собой некое месиво из мутной плазмы, которой потребовалось некоторое время — несколько сотен миллионов лет — чтобы остыть и сконденсироваться до такой степени, чтобы образовались первые звезды и галактики. То, как именно произошла эта фундаментальная трансформация из мутной плазмы в звезды, имеет решающее значение для понимания того, как Вселенная оказалась в своем нынешнем состоянии.

Однако это туманный период космической истории, который в настоящее время невозможно наблюдать напрямую, поэтому ученые полагаются на такие инструменты, как моделирование, чтобы попытаться воспроизвести формирование и эволюцию Вселенной.

Как можно себе представить, это требует огромных вычислительных мощностей, предоставляемых суперкомпьютерами, и для снижения нагрузки многие симуляции основаны на упрощенных моделях лежащих в основе физических процессов, которые, тем не менее, должны давать надежные результаты.

Проект космологического моделирования COLIBRE направлен на устранение некоторых из этих пробелов, включая создание более подробных физических моделей газа, пыли и мощных выбросов, вызванных звездами и черными дырами, для изучения эволюции ранней Вселенной.

«Большая часть газа внутри реальных галактик холодная и пыльная, но большинство предыдущих масштабных моделирований игнорировали это», — говорит астроном Йооп Шайе из Лейденского университета. «С помощью COLIBRE мы наконец-то учитываем эти важные компоненты».

COLIBRE — это, по сути, миниатюрная Вселенная в виртуальной коробке. Ученые закладывают ингредиенты, задают правила и запускают моделирование, начиная с периода до рождения звезд и до наших дней. Если результаты моделирования в конце похожи на окружающую нас вселенную, то параметры можно считать достаточно точным воспроизведением процессов, которые действительно имели место.

Для самой масштабной из симуляций потребовалось 72 миллиона процессорных часов, но результаты того стоили. Программа была основана на холодном газе, из которого, как известно, образуются звезды. Моделирование этого процесса довольно сложно, но исследователи включили в него дополнительные физические и химические процессы, необходимые для его корректной работы.

В симуляцию также была включена модель пыли, где частицы бывают трех типов и двух размеров. Эти крошечные пылевые частицы могут влиять на эволюцию Вселенной несколькими способами. Например, пыль способствует слиянию свободных атомов в молекулы и формирует способ распространения излучения, блокируя или взаимодействуя с определенными длинами волн.

В итоге исследователям удалось создать виртуальную Вселенную, которая выглядела как её двойник.

«Захватывающе наблюдать, как на экране компьютера появляются «галактики», которые выглядят неотличимо от реальных и обладают многими свойствами, которые астрономы измеряют в реальных данных, такими как их количество, светимость, цвет и размеры», — говорит физик Карлос Френк из Даремского университета в Великобритании. «Наиболее примечательно то, что мы можем создать эту синтетическую Вселенную, просто решив соответствующие уравнения физики в расширяющейся Вселенной».

Хотя COLIBRE приблизила моделирование к реальной Вселенной, некоторые вопросы остаются без ответа. Одна из самых больших загадок, которую JWST раскрыл на заре космической эры, — это явление, которое астрономы называют «маленькими красными точками».

Существуют различные объяснения, от гигантских звезд до гигантских черных дыр и гигантских звезд с черными дырами внутри. Что бы это ни было, оно не поддается простому объяснению, и у COLIBRE до сих пор нет объяснения этому явлению.

Вопрос о «маленьких красных точках» может стать ключевым в будущих исследованиях. Однако на данный момент результаты показывают, что мы приближаемся к получению ответов на некоторые вопросы об одном из самых загадочных периодов в истории нашей Вселенной.