Недостающий ингредиент наконец показывает, как галактики формировались на заре времен

Давным-давно существовало время, когда галактики образовались из первичной материи, которая заполнила растущую 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 развивались галактики – посредством более мощного моделирования беспорядочного хаоса пыли, новорожденных звезд и сложной химии на заре времен.

И результаты показывают, что многочисленные большие галактики, наблюдаемые JWST во Вселенной раньше, чем мы считали возможным, могут формироваться без нарушения наших текущих моделей, если в моделирование включено больше деталей.

«Некоторые ранние результаты JWST, как считалось, бросают вызов стандарту. космологическая модель», — говорит астроном Евгений Чайкин из Лейденского университета в Нидерландах. «Как только ключевые физические процессы будут представлены более реалистично, модель будет соответствовать тому, что мы видим».

После Большого взрыва космос представлял собой своего рода горячую массу жидкой плазмы, которой потребовалось немного времени – несколько сотен миллионов лет – чтобы остыть и уплотниться настолько, чтобы образовались первые звезды и галактики. То, как именно развернулась эта фундаментальная трансформация от супа к звездам, имеет решающее значение для понимания того, как Вселенная оказалась там, где она находится сегодня.

Однако это мрачный 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 вы можете себе представить, это требует большой вычислительной мощности, обеспечиваемой суперкомпьютерами, и для снижения нагрузки многие симуляции основаны на упрощенных моделях базовой физики, которая по-прежнему должна давать надежные результаты.

Проект космологического моделирования COLIBRE направлен на устранение некоторых из этих пробелов, включая более подробные физические модели газа, пыли и мощных потоков, вызванных звездами и черными дырами, для изучения эволюции ранней Вселенной.

«Большая часть газа внутри реальных галактик холодна и пыльна, но в большинстве предыдущих крупных симуляций это приходилось игнорировать», — говорит астроном Йооп Шайе из Лейденского университета. «С COLIBRE мы, наконец, воплощаем в жизнь эти важные компоненты».

COLIBRE — это, по сути, миниатюрная Вселенная в виртуальной коробке. Ученые добавляют ингредиенты, рассказывают ему правила и позволяют ему работать, начиная с момента рождения звезд и до сегодняшнего дня. Если результаты в конце моделирования будут выглядеть как космос вокруг нас, то параметры можно будет рассматривать как разумную копию процессов, которые действительно происходили.

На самое крупное из симуляций потребовалось 72 миллиона процессорных часов, но результаты того стоили. Программа была основана на холодном газе, из которого, как известно, формируются звезды. Это довольно сложно смоделировать, но исследователи включили дополнительные физические и химические знания, необходимые для того, чтобы это работало.

Моделирование также включало модель пыли, в которой зерна бывают трех типов и двух размеров. Эти крошечные пылинки могут влиять на развитие Вселенной несколькими способами. Например, пыль способствует слиянию свободных атомов в молекулы и формирует путь распространения излучения, блокируя или взаимодействуя с определенными длинами волн.

В конце концов, исследователям удалось создать виртуальную Вселенную, похожую на нашу собственную.

«Приятно видеть, как из нашего компьютера выходят «галактики», которые выглядят неотличимо от реальных и имеют многие свойства, которые астрономы измеряют в реальных данных, например, их числа, светимости, цвета и размеров», — говорит физик Карлос Френк из Даремского университета в Великобритании.

«Самое примечательное то, что мы можем создать эту синтетическую Вселенную, просто решая соответствующие уравнения физики расширяющейся Вселенной».

По теме: Мы наконец знаем, как свет включился на заре времен

Хотя COLIBRE приблизила моделирование к реальной Вселенной, существуют некоторые вопросы, которые остаются без ответа. Одна из величайших загадок, которую JWST раскрыла на Космическом рассвете, — это явление, которое астрономы называют Маленькими красными точками.

Объяснения варьировались от гигантских звезд до гигантских черных дыр и гигантских звезд с черными дырами внутри них. Чем бы они ни были, они не поддаются простому объяснению, и у COLIBRE до сих пор нет для них объяснения.

Вопрос о маленьких красных точках может стать сутью будущих исследований. Однако на данный момент результаты показывают, что мы приближаемся к поиску ответов на вопросы об одном из самых загадочных периодов в истории нашей Вселенной.

Работа была опубликована в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.