Мощные симуляции показали, как первые звёзды изменили Вселенную

Исследователи используют чрезвычайно детальные компьютерные симуляции, чтобы реконструировать один из самых преобразующих периодов космической истории — эпоху, когда начали появляться первые звёзды и галактики.

Работа ведётся в рамках проекта MEGATRON, которым руководит Университет Бата (Великобритания) совместно с Чикагским университетом (США) и Парижским институтом астрофизики (Франция). Проект призван выяснить, как самые ранние звёзды и галактики осветили прежде тёмную Вселенную и начали производить и распространять химические элементы, которые позже стали ключевыми составляющими планет, жизни и окружающего нас мира.

Четыре исследования MEGATRON, опубликованные в Open Journal of Astrophysics, объединяют передовые космологические симуляции с детальными моделями радиации, химии и формирования галактик. Это первая крупная коллекция опубликованных результатов коллаборации; дополнительные работы ожидаются в будущем.

Результаты показывают, что для связи двух разных «записей» о ранней Вселенной учёным необходимо точно моделировать сложные взаимодействия между звёздным светом, газом и вновь созданными элементами.

Одна из этих записей — наблюдения молодых галактик, сделанные космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST). Другая — химические «отпечатки», сохранившиеся в некоторых из самых старых звёзд Млечного Пути и его окрестностей.

JWST позволяет астрономам напрямую наблюдать галактики из младенчества Вселенной. Древние звёзды дают свидетельства иного рода, выступая летописью событий, произошедших миллиарды лет назад. Изучая химические «отпечатки пальцев» внутри этих старых звёзд, учёные могут судить о том, какими были первые звёзды и как они начали обогащать космос первыми химическими элементами.

Симуляции MEGATRON отслеживают эволюцию молодой галактики вплоть до системы, примерно сравнимой по массе с Млечным Путём. Модели одновременно учитывают движение газа, распространение звёздного света в пространстве и изменение концентраций различных химических элементов со временем.

Это позволяет исследователям изучать, как поколения звёзд изменяют газ внутри галактик и вокруг них на протяжении миллиардов лет эволюции.

Результаты указывают на то, что менее детальные модели могут недооценивать, насколько сильно звёздное излучение и сложные химические процессы влияют на газ вокруг галактик. Моделируя эти эффекты с исключительно высоким разрешением, исследователи смогли зафиксировать структуры в газе, которые более простые подходы пропускают. Эта дополнительная детализация может помочь астрономам делать более точные прогнозы для наблюдений, собираемых сейчас и запланированных на будущее.

Доктор Мартин Рей из физического факультета Университета Бата и один из ведущих участников коллаборации MEGATRON сказал: «Космический телескоп "Джеймс Уэбб" даёт нам прямой взгляд на младенческую Вселенную, а звёздная археология позволяет изучать реликты тех самых ранних времён в нашем галактическом окружении. MEGATRON обеспечивает физический мост между ними».

Симуляции начинаются с первозданного газа, не содержащего тяжёлых элементов, воспроизводя условия, существовавшие вскоре после Большого взрыва. Далее модели отслеживают формирование первых звёзд, излучение, которое они испускают, взрывы сверхновых в конце их жизни и распространение вновь созданных элементов в последующие поколения звёзд и галактик.

Воссоздание этого процесса может помочь ответить на один из самых фундаментальных вопросов астрономии: откуда взялись элементы, из которых состоит современная Вселенная?

Доктор Рей отметил: «Элементы, которые делают возможными наш мир и жизнь — углерод, кислород, железо и многие другие — были выкованы звёздами. Чтобы понять, откуда взялись эти элементы, нам нужно понять, как формировались первые звёзды и обогащали своё окружение. MEGATRON позволяет нам напрямую проверять эти идеи, сравнивая детальные симуляции с наблюдениями JWST и химическими отпечатками, сохранившимися в древних звёздах».

По мере развития проекта исследователи планируют использовать MEGATRON для установления ещё более прочных связей между теоретическими моделями и быстро совершенствующимися астрономическими наблюдениями. JWST продолжает раскрывать новую информацию о некоторых из самых ранних известных галактик, а крупные звёздные обзоры дают всё более детальные измерения древних звёзд Млечного Пути и его окрестностей.

Доктор Рей и его коллеги в Бате уже работают над следующим поколением симуляций MEGATRON. Проект получил 40 миллионов процессорных часов на национальных суперкомпьютерах Великобритании. Такой объём вычислительной мощности эквивалентен работе пяти миллионов ноутбуков одновременно в течение целого года.

Дополнительные ресурсы позволят команде строить симуляции с ещё более высоким разрешением и более полными физическими моделями. Затем исследователи смогут проводить всё более прямые сравнения между своими симуляциями, наблюдениями JWST и химической летописью, сохранившейся в древних звёздах.

«MEGATRON обеспечивает общую физическую основу для интерпретации двух самых захватывающих новых наборов данных астрономии: взгляда JWST на самые ранние галактики и звёздной летописи», — сказал доктор Рей. «Вместе эти взаимодополняющие наблюдения позволяют нам проверять конкурирующие модели первых звёзд способами, которые ранее были невозможны».

Проект MEGATRON начался в 2023 году и рассчитан на продолжение до 2030 года.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Бата.