Новая симуляция показывает, как выглядел Млечный Путь во времена «космического рассвета»

Самая сложная в своём роде визуализация даёт представление о том, из чего образовалась и как эволюционировала наша родная галактика в течение первых двух миллиардов лет.

Об этом сообщают в Чикагском университете, передают OstanniPodii.com.

В начале существования Вселенной наш дом выглядел совсем иначе, чем сейчас. Тогда область в нашей Вселенной, которая впоследствии стала Млечным Путем, представляла собой совокупность тысяч более мелких галактик — одни из них активно рождали множество новых звёзд, другие же состояли только из газа или были усеяны мёртвыми звёздами и чёрными дырами.

Благодаря новой серии симуляций можно увидеть, как эти галактики со временем сливались и образовали знакомый нам спиральный диск, который мы видим сегодня. Симуляции были проведены группой ученых под руководством Харли Каца, доцента кафедры астрономии и астрофизики Чикагского университета.

Эти симуляции, на выполнение которых даже на сверхмощных суперкомпьютерах ушло три года, являются самой подробной на сегодняшний день моделью того, как галактика, подобная Млечному Пути, могла эволюционировать в течение первых нескольких миллиардов лет своего существования.

«Как выглядел Млечный Путь в тот период, который мы называем “космическим рассветом”?», — спросил Кац. «Впервые мы можем непосредственно предсказать, как ранний Млечный Путь выглядел бы в телескопах типа “Хаббла” или космического телескопа Джеймса Уэбба».

Шесть статей в рамках проекта под названием MEGATRON дают новое представление о строении ранних галактик и о том, как их элементы формировались с течением времени. Эти статьи были опубликованы в «The Open Journal of Astrophysics» 30 сентября.

Видео показывает симуляцию области, которая со временем коллапсирует в Млечный Путь, начиная с 180 миллионов лет после Большого взрыва и продолжаясь в течение двух миллиардов лет. Фиолетовые нити — это горячий газ; белый цвет представляет ультрафиолетовое излучение звёзд; а жёлтый — сияющие горячие атомы кислорода. Белые и желтые вспышки появляются, когда газ остывает и коллапсирует, образуя звезды, которые затем нагревают газ, и цикл начинается заново. «Очень сильные вспышки — это катастрофические события звездообразования, которые обычно вызваны нестабильностью или слиянием галактик», — пояснил Кац. Image courtesy Harley Katz/MEGATRON Collaboration

Как эволюционировал Млечный Путь с течением времени

Поскольку мы не можем отправиться в путешествие к началу Вселенной, чтобы исследовать её, одним из немногих способов понять, как эволюционировал космос с течением времени, является создание подробных компьютерных моделей на основе наших знаний о законах природы.

«По сути, мы вводим все физические явления, которые считаем важными — гравитацию, гидродинамику, излучение, химию и т. д. — а затем даем системе развиваться и проверяем, воспроизводит ли она то, что мы на самом деле видим, наблюдая за окружающим миром сегодня», — сказал Кац.

Новые данные, поступающие от мощного космического телескопа «Джеймс Уэбб», придали новое измерение нашему пониманию Вселенной. Поэтому три года назад команда учёных начала проект с целью включить эти новые знания в модель того, как могла выглядеть наша галактика в первые миллиарды лет своего существования. Затем они смогут сравнить её с данными, которые «Уэбб» получает сегодня, чтобы увидеть, что совпадает, а чего не хватает.

Если вернуть время вспять, говорят учёные, можно увидеть сеть больших и малых галактик всех возможных типов, которые в конечном итоге сольются в современный Млечный Путь.

«В модели мы отслеживаем тысячи подсистем и непосредственно рассчитываем, как бы они все выглядели с помощью наших самых мощных космических телескопов, что на много порядков превосходит то, что моделировали ранее», — сказал Кац. «Среди них можно увидеть невероятное разнообразие. Некоторые из них бурно образуют новые звезды, другие — мертвы, а третьи — находятся в процессе угасания».

Одним из уникальных открытий стало то, что модель предсказывает существование «галактик», которые вообще не содержат звёзд, но всё равно светятся. В некоторых из них когда-то, возможно, были звёзды, которые взорвались или коллапсировали, превратившись непосредственно в чёрные дыры; другие, возможно, всегда содержали только газ.

Еще одно открытие касается давней загадки в звездной астрофизике. В нашем Млечном Пути мы обычно наблюдаем, что меньшие и более тусклые галактики содержат меньше железа. Однако эта закономерность нарушается в чрезвычайно тусклых системах, где количество железа кажется постоянным, независимо от массы. До сих пор моделирования не смогли воспроизвести это поведение.

Согласно результатам моделирования, причиной этого являются взрывы экзотических типов звёзд, оставшихся от периода сразу после Большого взрыва. Эти звёзды, известные как звёзды III популяции, настолько стары, что состоят исключительно из первых элементов, существовавших во Вселенной — водорода и гелия, — и во время взрыва они могут образовывать больше железа, чем другие сверхновые. Если галактика достаточно велика, её гравитация будет достаточной, чтобы удержать это железо; но если она слишком мала, железо рассеется в космосе.

Эти звёзды III популяции на самом деле настолько стары, что ни одну из них никогда не удавалось непосредственно наблюдать с помощью телескопов. Другая статья из этой серии впервые показывает, как эти звезды образуются в среде, подобной Млечному Пути, и прогнозирует, где эти звезды, скорее всего, могли бы существовать, если такие еще есть — что может помочь астрономам в их поисках.

Физика звёзд и элементов

Отличительной чертой этих симуляций является то, что они гораздо сложнее всего, что пытались сделать ранее.

«Уникальность нашего моделирования заключается в том, что мы впервые смоделировали обогащение отдельных химических элементов в отдельных звездах после Большого взрыва, совместив это с детальными моделями гравитации, химии, излучения и звездных процессов», — сказал Кац.

Эта модель, например, стала первой крупномасштабной симуляцией, включавшей подробный расчет «физики неравновесия». В большинстве случаев в физике, для простоты, предполагается, что химическое состояние системы находится более или менее в равновесии. Но, конечно, в реальной Вселенной галактики постоянно эволюционируют, что часто нарушает это ключевое допущение.

Ученые не были уверены, насколько это повлияет на конечный результат — а учет этого фактора в симуляции значительно замедляет вычисления.

Однако две статьи, входящие в состав этого исследования, показывают, что добавление неравновесной физики имело реальное значение — особенно при рассмотрении потоков газов вокруг галактик, известных как окологалактическая среда.

Учёт этой сложности позволяет учёным точнее интерпретировать наблюдения и установить границы количества возможных ответов на многие вопросы о формировании Вселенной.

«С учетом этих результатов становится совершенно очевидным, что физические процессы, происходившие сразу после Большого взрыва, оказывают прямое влияние на то, что мы видим сегодня в локальной Вселенной», — отметил Кац. «Но есть и вещи, которые мы до конца не понимаем, что также интересно — каких именно элементов нам до сих пор не хватает? Это может привести к новым направлениям исследований и новым вопросам».