Три года вычислений суперкомпьютеров ради двух миллиардов лет эволюции космоса: создана самая подробная модель молодого Млечного Пути
iXBT.com ·
Международная группа астрономов создала одну из наиболее детальных компьютерных моделей ранней эволюции галактики, похожей на Млечный Путь. Масштабный проект MEGATRON потребовал около трех лет вычислений на суперкомпьютерах и позволил проследить, как за первые два миллиарда лет после Большого взрыва из множества небольших структур постепенно сформировалась крупная галактика.
Международная группа астрономов создала одну из наиболее детальных компьютерных моделей ранней эволюции галактики, похожей на Млечный Путь. Масштабный проект MEGATRON потребовал около трех лет вычислений на суперкомпьютерах и позволил проследить, как за первые два миллиарда лет после Большого взрыва из множества небольших структур постепенно сформировалась крупная галактика.
Исследование под руководством астрофизика Харли Каца из Чикагского университета опубликовано в серии из шести статей в The Open Journal of Astrophysics. Моделирование начинается примерно через 180 млн лет после Большого взрыва и охватывает следующие два миллиарда лет — период, когда привычного Млечного Пути еще не существовало.
Вместо одной крупной галактики в модели присутствуют тысячи небольших структур, которые взаимодействуют, сталкиваются и сливаются. Некоторые из них активно формируют новые звезды, другие состоят преимущественно из газа, а часть уже почти прекращает звездообразование. Постепенно из этой сложной системы формируется единая галактика.
Ученые смоделировали тысячи отдельных подсистем и рассчитали, как они выглядели бы для современных космических телескопов, включая Hubble и James Webb. Это позволяет сопоставлять результаты симуляции непосредственно с наблюдениями чрезвычайно далеких галактик.
В MEGATRON учитываются гравитация, гидродинамика, распространение излучения, химические реакции, формирование и эволюция звезд, а также образование различных химических элементов. Отдельное внимание уделили неравновесным процессам: в ранней Вселенной условия постоянно менялись, поэтому химические реакции не всегда успевали прийти к состоянию равновесия. Это заметно повлияло, в частности, на расчет потоков газа вокруг молодых галактик.
Одним из неожиданных результатов стало появление в симуляции необычных галактик практически без звезд, которые при этом способны излучать свет. Одни такие объекты могли потерять звезды после мощных взрывов и формирования черных дыр, другие могли состоять преимущественно из газа. Подобные структуры потенциально могут помочь проверить модели ранней эволюции галактик.
Модель также предложила объяснение загадки химического состава самых маленьких галактик. Обычно чем меньше галактика, тем ниже содержание железа, однако у наиболее тусклых систем эта зависимость неожиданно перестает работать.
Согласно MEGATRON, одним из возможных объяснений могут быть звезды населения III — гипотетическое первое поколение звезд Вселенной. Они сформировались из практически чистых водорода и гелия вскоре после Большого взрыва. После гибели такие звезды могли выбрасывать значительные количества железа. Более массивные галактики удерживали эти элементы своей гравитацией, тогда как из самых маленьких систем часть вещества могла уходить в межгалактическое пространство.
Звезды населения III пока не удалось обнаружить напрямую. Однако модель предсказывает, где в среде, из которой сформировался Млечный Путь, могут находиться их химические следы или потенциально сохранившиеся представители.
Симуляция также показывает, что примерно 12 млрд лет назад предок нашей галактики уже мог обладать вращающимся диском, содержать значительные количества тяжелых элементов и пыли. При этом его структуру сильно меняли столкновения с другими молодыми галактиками.
Исследователи отмечают, что MEGATRON пока не воспроизводит все наблюдения идеально. Однако именно расхождения между расчетами и данными телескопов могут оказаться особенно ценными: они способны указать на физические процессы, которые современные модели формирования и эволюции галактик пока не учитывают.