Сияние без звезд — Млечный Путь зародился как рой из тысяч крошечных галактик

Фото из открытых источников

Трехлетнее моделирование на суперкомпьютере, проведенное под руководством Чикагского университета, предполагает, что наша галактика зародилась как скопление тысяч маленьких галактик, некоторые из которых были лишены единой звезды. Эта же модель предлагает возможное объяснение старой загадки о железе, указывая на самые первые звезды во Вселенной.

Давным-давно участок неба, который впоследствии станет нашим галактическим окружением, совсем не походил на галактику. Это было скопление тысяч более мелких галактик. Некоторые из них с бешеной скоростью производили звезды, другие состояли только из газа, а третьи были усеяны мертвыми звездами и черными дырами.

Такова картина, созданная с помощью MEGATRON — серии компьютерных симуляций, разработанных Харли Кацем из Чикагского университета. Результаты опубликованы в шести статьях в журнале The Open Journal of Astrophysics. Моделирование заняло три года, даже на мощных суперкомпьютерах, и представляет собой наиболее подробную на сегодняшний день модель того, как могла эволюционировать такая галактика, как Млечный Путь, в течение первых нескольких миллиардов лет своего существования.

Чтобы представить себе масштаб времени, сократим 13,8 миллиарда лет существования Вселенной до 80 лет человеческой жизни. Моделирование начинается примерно через 180 миллионов лет после Большого взрыва, когда этой «жизни» едва исполнился год, и отслеживает галактику в течение двух миллиардов лет, пока ребёнку не исполнится около двенадцати с половиной лет.

Кац формулирует цель в виде вопроса: как выглядел Млечный Путь на «космическом рассвете», в эпоху, когда первые звезды и галактики начали зарождаться? По его словам, впервые исследователи могут напрямую предсказать, как бы выглядел молодой Млечный Путь в телескопы, такие как «Хаббл» или «Джеймс Уэбб».

Никто не может вернуться в раннюю Вселенную, поэтому альтернативой является построение модели на основе законов природы. Кац объясняет, что команда вводит все физические законы, которые считает релевантными (гравитация, движение газа, свет, химия), и позволяет системе развиваться. Затем следует проверка: будет ли она похожа на Вселенную, которую мы видим вокруг себя сегодня?

Недавно изменился критерий оценки. Космический телескоп Джеймса Уэбба, работающий в научных целях с 2022 года, открыл окно в мир очень молодых галактик. Три года назад команда решила использовать эти знания для создания модели первого миллиарда лет существования Млечного пути, чтобы сравнить результаты моделирования с тем, что видит телескоп Уэбба, и выяснить, что совпадает, а что отсутствует.

Если повернуть время вспять, симуляция покажет сеть больших и малых галактик всех типов, которым суждено слиться в Млечный Путь, который мы знаем. Команда отслеживает тысячи таких небольших систем и вычисляет, как каждая из них будет выглядеть в самые мощные телескопы, в масштабе, который, по словам Каца, намного превосходит более ранние симуляции. Разнообразие огромно. Некоторые из этих систем находятся в стадии активного звездообразования, некоторые уже мертвы, а некоторые находятся на пути к гибели.

Основная статья проекта, подписанная Кацем и почти тридцатью соавторами, описывает библиотеку из более чем 175 000 смоделированных спектров. Спектр — это свет галактики, расщепленный на цвета, и астрономы считывают его, чтобы определить, из чего состоит галактика и каков возраст ее звезд. По словам авторов, диапазон спектров, наблюдаемых телескопом Webb, естественным образом соответствует стандартной космологической модели, известной как ΛCDM, которая объединяет холодную темную материю и темную энергию. Моделирование начинается с чистого газа, содержащего только элементы, образовавшиеся в результате Большого взрыва.

Одно из самых поразительных предсказаний — существование «галактик», которые вообще не содержат звёзд, но всё ещё светятся. В некоторых из них когда-то могли быть звёзды, которые взорвались или схлопнулись прямо в чёрные дыры. В других же, возможно, всегда был только газ.

В заявлении университета не говорится, что именно могло бы заставить такие объекты светиться, и неясно, смогут ли современные телескопы их обнаружить.

Железо образуется внутри звёзд и рассеивается в космосе при их взрывах. В окрестностях Млечного Пути в меньших и более тусклых галактиках его обычно меньше. Эта тенденция нарушается в самых тусклых системах, где количество железа примерно одинаково независимо от массы галактики. До настоящего времени ни одна модель не могла воспроизвести это поведение.

Согласно модели, виновниками являются взрывы экзотических звезд, оставшихся сразу после Большого взрыва. Это так называемые звезды третьего поколения. Они настолько стары, что состоят только из водорода и гелия — первых существовавших элементов, и при взрыве могут производить больше железа, чем другие сверхновые. Галактика, достаточно большая, обладает гравитацией, чтобы удерживать это железо. Галактика, слишком маленькая, теряет его в космос.

Технические подробности взяты из статьи, написанной под руководством Мартина Рея из Университета Бата. Его команда сообщает, что карликовые галактики в проекте MEGATRON воспроизводят железистое «плато», наблюдаемое в реальных галактиках. Они связывают это с особенно мощным типом взрыва — сверхновой, вызванной парной нестабильностью, которая разрывает всю звезду на части. Интенсивный ультрафиолетовый свет, заполняющий молодую галактику, должен был вызывать такие взрывы внутри облаков темной материи (невидимых «гало», в которых находятся галактики), достаточно массивных, чтобы удерживать обломки. В том же исследовании предсказывается, что примерно каждая пятая карликовая галактика будет необычно бедна железом.

Здесь важно отметить один нюанс. Это объяснение получено в результате моделирования и соответствует тому, что мы видим в карликовых галактиках. Это не открытие, и ни одна звезда III популяции никогда не наблюдалась напрямую. Другая статья из этой серии впервые показывает, как эти звезды формируются в среде, подобной Млечному Пути, и предсказывает, где они с наибольшей вероятностью могли бы выжить, если таковые еще существуют. Это могло бы помочь в поисках.

Насколько нам удалось проверить, это предсказание соответствует результатам исследования Анатоля Сторка из Оксфордского университета, которое в настоящее время доступно в виде препринта (статья, еще не прошедшая рецензирование). Авторы исследования подсчитали, что эти звезды формировались с постоянной скоростью, составляющей примерно объем вещества, эквивалентный одному Солнцу, каждые тысячу лет. Проследив их останки до наших дней, они обнаружили, что большая их часть в конечном итоге окажется в звездном гало — слабом, разбросанном облаке старых звезд вокруг диска Млечного пути, а остальная часть — в меньших системах, таких как галактики-спутники.

Физики часто упрощают задачу, предполагая, что химический состав системы более или менее сбалансирован. Однако галактики постоянно меняются, и это противоречит данному предположению. MEGATRON — это первая крупномасштабная модель, которая детально рассчитывает эти «неравновесные» эффекты, а также гравитацию, химический состав, свет и жизненные циклы звезд. По словам Каца, это также первая модель, которая отслеживает накопление отдельных химических элементов, образующихся в результате Большого взрыва.

Исследователи не знали, насколько этот дополнительный реализм изменит результаты, и он значительно замедляет вычисления. В двух статьях показано, что разница реальна, особенно в газе, окружающем галактики, известном как окологалактическая среда. В одной из них, под руководством Корентена Кадью из Парижского института астрофизики, результаты сравниваются с традиционными равновесными моделями. Например, было обнаружено, что водородные облака, оставляющие свой след в свете далеких галактик, могут выглядеть совершенно по-разному. Это важно, поскольку эти модели используются для интерпретации реальных наблюдений.

В этой серии опубликованы еще три статьи, среди авторов которых Николас Чустиков и Кац, посвященные ультрафиолетовому цвету далеких галактик, погрешностям в методах наблюдения за их газом, а также влиянию «рецептов» (правил, используемых программистами для определения того, когда и как образуются звезды в симуляции).

Кац говорит, что результаты показывают, что физические процессы, происходившие сразу после Большого взрыва, оставили прямой след в ближайшей Вселенной. Он добавляет, что моделирование также допускает некоторые ошибки, что, по его мнению, не менее интересно, поскольку поднимает вопрос о том, какие части нам еще не хватает?