Секрет образования первых галактик скрывался в холодной пыли, которую ранее игнорировали в компьютерных моделях
Долгое время существовал период до того, как галактики смогли собраться воедино из первичной материи, заполнявшей молодую Вселенную после Большого взрыва. То, как именно происходил этот процесс и из чего состояла та материя, оставалось загадкой. Однако теперь ученые, возможно, приблизились к пониманию того, как формировались и эволюционировали галактики, благодаря более мощным симуляциям хаотичного мира из пыли, новорожденных звезд и сложной химии на заре времен. Результаты показывают, что многочисленные крупные галактики, которые телескоп Джеймс Уэбб обнаружил в ранней Вселенной, существовавшей в более раннюю эпоху, чем считалось возможным, могут формироваться без нарушения текущих космологических моделей, если включить в симуляции больше деталей.
Астроном Евгений Чайкин из Лейденского университета в Нидерландах пояснил, что некоторые ранние результаты наблюдений телескопа Джеймс Уэбб считались вызовом для стандартной космологической модели, но как только ключевые физические процессы представлены более реалистично, модель согласуется с тем, что мы видим. После Большого взрыва пространство представляло собой горячую плотную плазму, которой потребовалось несколько сотен миллионов лет, чтобы остыть и сконденсироваться достаточно для формирования первых звезд и галактик. И то, как именно произошло это фундаментальное превращение из первичного «бульона» в звезды, критически важно для понимания того, как Вселенная стала такой, какая она есть сегодня. Однако это мрачный период космической истории, который невозможно наблюдать напрямую, поэтому ученые полагаются на такие инструменты, как симуляции, чтобы воспроизвести формирование и эволюцию Вселенной.
Это требует огромной вычислительной мощности суперкомпьютеров, и для снижения нагрузки многие симуляции основаны на упрощенных моделях базовой физики, которые все же должны давать надежные результаты. Проект космологических симуляций COLIBRE был создан для того, чтобы восполнить некоторые из этих пробелов, включая более детальные физические модели газа, пыли и мощных потоков вещества, вызванных звездами и черными дырами, для изучения эволюции ранней Вселенной. Астроном Йоп Шайе из Лейденского университета отметил, что большая часть газа внутри реальных галактик является холодной и пыльной, но большинство предыдущих крупных симуляций вынуждены были игнорировать это, тогда как COLIBRE наконец позволяет включить эти важнейшие компоненты в картину.
COLIBRE представляет собой, по сути, миниатюрную Вселенную в виртуальной коробке. Ученые закладывают ингредиенты, сообщают правила и позволяют симуляции работать с момента до рождения звезд и до наших дней. Если результаты в конце выглядят как окружающий нас космос, то параметры можно считать достоверным отражением реально происходивших процессов. Самая крупная из симуляций потребовала 72 миллиона процессорных часов, но результаты того стоили. Программа была основана на холодном газе, из которого, как известно, формируются звезды. Моделировать это довольно сложно, но исследователи добавили дополнительную физику и химию, необходимые для работы.
Симуляция также включала модель пыли, в которой зерна бывают трех типов и двух размеров. Эти крошечные пылинки могут влиять на эволюцию Вселенной несколькими способами: пыль способствует объединению свободных атомов в молекулы и определяет способ распространения излучения, блокируя или взаимодействуя с определенными длинами волн. В итоге исследователям удалось создать виртуальную Вселенную, которая выглядит как близнец нашей собственной. Физик Карлос Френк из Даремского университета в Великобритании поделился, что захватывающе видеть, как из компьютера появляются «галактики», неотличимые от настоящих и обладающие многими свойствами, которые астрономы измеряют в реальных данных, такими как их количество, светимость, цвет и размеры. Самое замечательное, по его словам, что им удалось создать эту синтетическую Вселенную, просто решая соответствующие уравнения физики в расширяющейся Вселенной.
Хотя COLIBRE приблизил симуляции к реальной Вселенной, некоторые вопросы остаются без ответа. Одна из величайших загадок, которую телескоп Джеймс Уэбб извлек из космического рассвета, — это феномен, который астрономы называют «маленькими красными точками». Объяснения варьировались от гигантских звезд до гигантских черных дыр и гигантских звезд с черными дырами внутри. Что бы они ни были, они не поддаются легкому объяснению, и у COLIBRE также нет объяснения для них. Вопрос о маленьких красных точках может стать ключевым в будущих исследованиях. Но на данный момент результаты показывают, что мы приближаемся к ответам на вопросы об одном из самых загадочных периодов в истории нашей Вселенной.
Исследование в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.