Нова симуляція показує, як виглядав Чумацький Шлях у часи «космічного світанку»

Найскладніша у своєму роді візуалізація дає уявлення про те, з чого утворилася та як еволюціонувала наша рідна галактика впродовж перших двох мільярдів років.

Про це повідомляють в Чиказькому університеті, передають OstanniPodii.com.

На початку існування Всесвіту наша домівка виглядала зовсім інакше, ніж зараз. Тоді регіон у нашому Всесвіті, який згодом став Чумацьким Шляхом, був сукупністю тисяч менших галактик — одні з них активно народжували безліч нових зірок, інші ж складалися лише з газу або були усіяні мертвими зорями та чорними дірами.

Завдяки новій серії симуляцій можна побачити, як ці галактики з часом зливалися й утворили знайомий нам спіральний диск, який ми бачимо сьогодні. Симуляції були проведені групою вчених під керівництвом Гарлі Каца, доцента кафедри астрономії та астрофізики Чиказького університету.

Ці симуляції, на виконання яких навіть на надпотужних суперкомп’ютерах знадобилося три роки, є найдетальнішою на сьогодні моделлю того, як галактика, подібна до Чумацького Шляху, могла еволюціонувати протягом перших кількох мільярдів років свого існування.

«Як виглядав Чумацький Шлях у той період, який ми називаємо “космічним світанком”?», — запитав Кац. «Вперше ми можемо безпосередньо передбачити, як ранній Чумацький Шлях виглядав би в телескопах на кшталт “Габбла” або космічного телескопа Джеймса Вебба».

Шість статей у рамках проєкту під назвою MEGATRON дають нове уявлення про будову ранніх галактик та про те, як їх елементи формувалися з плином часу. Ці статті були опубліковані в «The Open Journal of Astrophysics» 30 вересня.

Відео показує симуляцію області, яка з часом колапсує у Чумацький Шлях, починаючи зі 180 мільйонів років після Великого вибуху та триваючи протягом двох мільярдів років. Фіолетові нитки — це гарячий газ; білий колір представляє ультрафіолетове випромінювання зірок; а жовтий — світні гарячі атоми кисню. Білі та жовті спалахи з’являються, коли газ охолоджується та колапсує, утворюючи зорі, які потім нагрівають газ, і цикл починається знову. «Дуже великі спалахи — це катастрофічні події зореутворення, які зазвичай спричинені нестабільністю або злиттям галактик», — пояснив Кац. Image courtesy Harley Katz/MEGATRON Collaboration

Як еволюціонував Чумацький Шлях з плином часу

Оскільки ми не можемо подорожувати до початку Всесвіту, щоб дослідити його, одним з небагатьох способів зрозуміти, як еволюціонував космос з плином часу, є створення детальних комп’ютерних моделей на основі наших знань про закони природи.

«По суті, ми вводимо всі фізичні явища, які вважаємо важливими — гравітацію, гідродинаміку, випромінювання, хімію тощо — а потім даємо системі розвиватися та перевіряємо, чи відтворює вона те, що ми насправді бачимо, оглядаючи навколишній світ сьогодні», — сказав Кац.

Нові дані, що надходять від потужного космічного телескопа «Джеймс Вебб», додали нового виміру до нашого розуміння Всесвіту. Тож три роки тому команда вчених розпочала проєкт з метою включити ці нові знання в модель того, як могла виглядати наша галактика в перші мільярди років свого існування. Потім вони можуть порівняти її з даними, які «Вебб» отримує сьогодні, щоб побачити, що збігається, а чого бракує.

Якщо повернути час назад, кажуть вчені, можна побачити мережу великих і малих галактик усіх можливих типів, які зрештою зіллються в сучасний Чумацький Шлях.

«У моделі ми відстежуємо тисячі підсистем і безпосередньо обчислюємо, як би вони всі виглядали за допомогою наших найпотужніших космічних телескопів, що на багато порядків перевищує те, що моделювали раніше», — сказав Кац. «Серед них можна побачити неймовірне різноманіття. Деякі з них бурхливо утворюють нові зорі, інші — мертві, а ще інші — перебувають у процесі вмирання».

Одним з унікальних відкриттів стало те, що модель передбачає існування «галактик», які взагалі не містять зірок, але все одно світяться. У деяких з них колись, можливо, були зорі, які вибухнули або колапсували, перетворившись безпосередньо на чорні діри; інші, можливо, завжди містили лише газ.

Ще одне відкриття стосується давньої загадки в зоряній астрофізиці. У нашому Чумацькому Шляху ми зазвичай спостерігаємо, що менші та тьмяніші галактики містять менше заліза. Однак ця закономірність порушується в надзвичайно тьмяних системах, де кількість заліза здається постійною, незалежно від маси. Дотепер симуляції не змогли відтворити цю поведінку.

Згідно з результатами симуляцій, причиною цього є вибухи екзотичного типу зірок, що залишилися від періоду одразу після Великого вибуху. Ці зорі, відомі як зорі III популяції, настільки старі, що складаються виключно з перших елементів, які існували у Всесвіті — водню та гелію, — і під час вибуху вони можуть утворювати більше заліза, ніж інші наднові. Якщо галактика достатньо велика, її гравітація буде достатньою, щоб утримати це залізо; але якщо вона занадто мала, залізо розсіється у космосі.

Ці зорі III популяції насправді настільки старі, що жодну з них ніколи не вдавалося безпосередньо спостерігати за допомогою телескопів. Інша стаття з цієї серії вперше показує, як ці зорі утворюються в середовищі, подібному до Чумацького Шляху, та прогнозує, де ці зорі, найімовірніше, могли б існувати, якщо такі ще є — що може допомогти астрономам у їх пошуках.

Фізика зірок та елементів

Відмінною рисою цих симуляцій є те, що вони набагато складніші за все, що намагалися зробити раніше.

«Унікальність нашого моделювання полягає в тому, що ми вперше змоделювали збагачення окремих хімічних елементів у окремих зорях після Великого вибуху, поєднавши це з детальними моделями гравітації, хімії, випромінювання та зоряних процесів», — сказав Кац.

Ця модель, наприклад, стала першою великомасштабною симуляцією, що включала детальний розрахунок «фізики нерівноваги». У більшості випадків у фізиці, задля простоти, припускається, що хімічний стан системи перебуває більш-менш у рівновазі. Але, звісно, у реальному Всесвіті галактики постійно еволюціонують, що часто порушує це ключове припущення.

Вчені не були впевнені, наскільки це вплине на кінцевий результат — а врахування цього фактора в симуляції значно уповільнює обчислення.

Однак дві статті, що входять до складу цього дослідження, показують, що додавання нерівноважної фізики мало реальне значення — особливо при розгляді потоків газів навколо галактик, відомих як навкологалактичне середовище.

Врахування цієї складності дозволяє вченим точніше інтерпретувати спостереження та встановити межі кількості можливих відповідей на багато питань щодо формування Всесвіту.

«З огляду на ці результати стає цілком очевидним, що фізичні процеси, які відбувалися одразу після Великого вибуху, мають прямий вплив на те, що ми бачимо сьогодні в локальному Всесвіті», — зазначив Кац. «Але є й речі, які ми не до кінця розуміємо, що також цікаво — яких саме елементів нам досі бракує? Це може привести до нових напрямків досліджень і нових питань».

• Чумацький Шлях