Если отмотать историю Млечного Пути на 13 миллиардов лет назад, знакомой спиральной галактики мы не увидим. Вместо неё перед наблюдателем возник бы хаотический космический архипелаг из тысяч небольших систем: одни бешено производят звёзды, другие заполнены преимущественно газом, третьи уже пережили первые катастрофические вспышки звездообразования. Именно из этого беспорядка постепенно выросла наша Галактика.
Увидеть процесс непосредственно невозможно, поэтому международная команда проекта MEGATRON попыталась фактически вырастить аналог Млечного Пути внутри суперкомпьютера. Расчёты заняли около трёх лет и проследили первые несколько миллиардов лет эволюции области Вселенной, которая должна превратиться в галактику, похожую на нашу.
Это не просто красивая анимация с летящими звёздами. В модель одновременно включили гравитацию, движение газа, излучение, химические реакции, рождение и гибель звёзд, образование химических элементов и взаимодействие излучения с окружающим веществом. Затем виртуальной Вселенной позволили развиваться в соответствии с этими законами.
Начальная картина мало напоминает современный Млечный Путь. Вместо одной крупной системы существуют тысячи меньших структур. Они растут, притягивают газ, образуют звёзды, сталкиваются и сливаются. Некоторые переживают настолько мощные вспышки звездообразования, что быстро меняют химический состав окружающего пространства.
Это важное уточнение к популярному выражению о том, что Млечный Путь «образовался из тысяч галактик». Речь не идёт о тысячах полноценных аналогов современной Андромеды, столкнувшихся между собой. Многие предшественники были крошечными протогалактическими системами, значительно менее массивными, чем нынешний Млечный Путь.
Модель начинается примерно через 180 миллионов лет после Большого взрыва и показывает последующие два миллиарда лет. За это время первоначальная сеть небольших структур постепенно становится всё более организованной. Газ охлаждается и проваливается в гравитационные потенциальные ямы, возникают звёзды, их излучение снова нагревает газ, а взрывы массивных светил выбрасывают энергию и химические элементы обратно в окружающую среду.
Получается своеобразное космическое дыхание. Холодный газ поступает в галактики и создаёт новые звёзды, звёзды нагревают и разгоняют вещество, часть газа покидает галактику, затем снова охлаждается и может вернуться. На этот непрерывный цикл накладываются столкновения и слияния.
Особенно мощные вспышки в моделировании возникают во время нестабильностей и галактических столкновений. За сравнительно короткое время огромное количество газа превращается в звёзды. Затем обратная связь от молодых светил и сверхновых способна резко изменить окружающую среду и временно подавить дальнейшее звездообразование.
Одним из самых неожиданных результатов стали практически беззвёздные галактики. Некоторые моделируемые системы могут светиться, несмотря на отсутствие обычного заметного звёздного населения. Одни, возможно, когда-то содержали звёзды, которые уже взорвались или превратились в компактные остатки и чёрные дыры. Другие могли оставаться преимущественно газовыми.
Это заставляет задуматься о том, что мы вообще называем галактикой. Наблюдательная астрономия неизбежно склонна находить то, что ярко светится. Но ранняя Вселенная могла содержать множество структур, которые плохо вписываются в привычный образ звёздного острова.
MEGATRON позволил исследователям просчитать, как тысячи таких подсистем выглядели бы для современных телескопов. Это особенно важно после запуска Джеймса Уэбба. Телескоп наблюдает галактики настолько далёкими, что мы видим их такими, какими они существовали в первые эпохи космической истории.
Теперь наблюдения и моделирование можно непосредственно сопоставлять. Если виртуальная молодая галактика обладает тем же спектром, яркостью и химическими характеристиками, что и объект, обнаруженный Уэббом, модель проходит важную проверку. Если различия систематические, значит, какой-то физический процесс описан неправильно или отсутствует.
Один из результатов помог объяснить давнюю загадку самых маленьких карликовых галактик. Обычно существует понятная тенденция: чем меньше и тусклее галактика, тем меньше в её звёздах железа. Но среди самых слабых систем зависимость словно перестаёт работать — содержание железа выходит на своеобразное плато.
В модели это может быть наследием самых первых звёзд Вселенной — звёзд населения III. Они формировались из вещества, практически состоявшего только из водорода и гелия, поскольку тяжёлых элементов после Большого взрыва почти не существовало.
Когда такие массивные первичные звёзды завершали жизнь, некоторые их взрывы производили большое количество железа. Дальнейшая судьба этого материала зависела от массы молодой галактики. Достаточно массивная система удерживала обогащённый газ своей гравитацией. Из совсем маленькой значительная часть продуктов взрыва могла уйти в окружающее пространство.
Так события, происходившие вскоре после рождения первых звёзд, могли оставить химическую подпись, которую астрономы обнаруживают спустя более 13 миллиардов лет. В буквальном смысле состав некоторых современных карликовых галактик может хранить память о звёздах, которых давно не существует.
Ни одной настоящей звезды населения III пока достоверно не наблюдали. Моделирование MEGATRON показывает, в каких условиях они могли формироваться в предшественниках Млечного Пути и где следует искать возможные сохранившиеся следы этой древней популяции.
Ещё один важный шаг касается химии газа. Многие крупные космологические модели ради экономии вычислительных ресурсов предполагают, что химические процессы находятся близко к равновесию. Для спокойной системы это разумное упрощение, но молодая галактика спокойной системой назвать трудно.
Газ непрерывно нагревается, охлаждается, ионизируется, выбрасывается сверхновыми и облучается молодыми звёздами. Химический состав не всегда успевает приспособиться к изменившимся условиям. MEGATRON подробно учитывает такую неравновесную физику.
Расчёты показали, что это имеет заметное значение, особенно для окологалактической среды — огромного резервуара разреженного газа вокруг галактик. Именно через него вещество поступает внутрь системы и выбрасывается обратно, поэтому правильное описание его состояния необходимо для понимания роста галактики.
В моделировании молодая система, похожая на предка Млечного Пути, довольно рано способна сформировать вращающийся диск. Уже около 12 миллиардов лет назад в ней могли присутствовать значительные количества пыли и тяжёлых элементов. Одновременно гигантские столкновения оставляли протяжённые потоки звёзд вокруг формирующегося диска.
Это хорошо показывает, почему современную Галактику нельзя воспринимать как объект, который однажды сформировался и затем просто старел. Млечный Путь — результат непрерывной сборки. Некоторые его звёзды родились внутри главного предшественника, другие могли прийти вместе с поглощёнными системами, а окружающий газ многократно выбрасывался и возвращался.
Суперкомпьютер при этом не создал точную биографию именно нашего Млечного Пути. Мы не знаем всех начальных условий и каждого древнего столкновения. MEGATRON создаёт физически правдоподобный аналог и проверяет, способны ли известные законы природы привести от раннего космического хаоса к системе, похожей на наблюдаемую.
Ценность модели заключается и в её ошибках. Если она не способна воспроизвести какое-либо свойство реальных галактик, это не обязательно провал. Расхождение может указывать на отсутствующую физику и подсказывать, какой процесс следует исследовать следующим.
Главный результат проекта поэтому шире красивой истории происхождения Млечного Пути. Физика первых сотен миллионов лет Вселенной способна определять свойства объектов, существующих сегодня. Древнейшие звёзды изменяли химический состав газа, маленькие галактики объединялись в большие, а их столкновения строили структуры, внутри которых спустя миллиарды лет появилась Солнечная система.
Если бы удалось посмотреть на наш космический дом в младенчестве, мы, вероятно, его не узнали бы. Вместо величественной спирали перед нами находились бы тысячи беспокойных островков материи. Но именно в их столкновениях, вспышках и потоках газа уже начиналась история галактики, которую сегодня мы называем Млечным Путём.
- Понравилось: 27
А затем «Добавить на главный экран». 