Нови симулации показват, че ранните галактики могат да се формират в рамките на сегашния космологичен модел, без да се нарушават известните закони на физиката.
Имало е време, когато галактиките все още не са съществували, а младата Вселена е била изпълнена с първична материя, останала след Големия взрив. Как точно от този хаос са се родили първите звезди и галактики е един от големите въпроси в астрономията.
Сега учени смятат, че са направили важна крачка към отговора. С помощта на по-мощни и по-реалистични симулации те са успели да възпроизведат бурната среда в ранната Вселена – с прах, студен газ, новородени звезди и сложна химия.
Най-важният извод е, че големите галактики, наблюдавани от космическия телескоп „Джеймс Уеб“ (JWST) по-рано в историята на Вселената, отколкото се очакваше, може да се образуват и без това да разклаща сегашния космологичен модел. Нужно е просто симулациите да включват повече от реалната физика.
„Някои от ранните резултати на JWST изглеждаха като предизвикателство за стандартния космологичен модел“, казва астрономът Евгений Чайкин от Лайденския университет в Нидерландия. „Когато обаче ключовите физични процеси се представят по-реалистично, моделът се оказва съвместим с това, което наблюдаваме.“
Какво се е случило след Големия взрив
След Големия взрив Вселената не е приличала на подреденото космическо пространство, което познаваме днес. Тя е била изпълнена с гореща плазма, на която са били нужни стотици милиони години, за да се охлади и сгъсти достатъчно, така че да се появят първите звезди и галактики.
Именно този преход – от първичната „космическа супа“ към първите светила – е ключов за разбирането на цялата по-нататъшна еволюция на Вселената.
Проблемът е, че този период е толкова далечен и труден за изследване, че засега не може да бъде наблюдаван пряко. Затова учените разчитат на симулации, с които се опитват да възпроизведат как са се формирали и развивали първите структури в космоса.
Защо досегашните модели не стигаха
Подобни симулации изискват огромна изчислителна мощ. Затова много от тях досега са използвали опростени версии на физиката, които намаляват натоварването, но понякога пропускат важни детайли.
Точно тук идва проектът COLIBRE. Той е създаден, за да запълни част от тези празнини, като включи по-подробни модели на газа, праха и мощните потоци материя, изхвърляни от звезди и черни дупки в ранната Вселена.
„Голяма част от газа в реалните галактики е студен и прашен, но повечето предишни мащабни симулации бяха принудени да пренебрегнат това“, обяснява астрономът Йооп Схайе от Лайденския университет. „С COLIBRE най-после включваме тези съществени компоненти в картината.“
Миниатюрна Вселена в компютър
По същество COLIBRE представлява виртуална мини-Вселена в кутия. Учените задават началните „съставки“ и правилата на физиката, след което оставят симулацията да проследи развитието на космоса – от времето преди раждането на първите звезди до наши дни.
Ако в края на процеса виртуалната Вселена започне да прилича на реалната, това е силен знак, че използваните параметри и физични процеси са близки до истинските.
Най-мащабната версия на симулацията е изисквала 72 милиона CPU часа, но усилието очевидно си е струвало. Изследователите са заложили специално на студения газ, от който се раждат звездите – нещо, което е особено трудно за моделиране. За да го направят възможно, те са добавили и допълнителна физика и химия.
Прахът се оказва решаващата съставка
Един от най-важните елементи в новия модел е космическият прах. В симулацията той е представен чрез три вида прахови частици в два различни размера.
Макар и микроскопични, тези прашинки могат да влияят силно върху еволюцията на Вселената. Те подпомагат свързването на свободни атоми в молекули и променят начина, по който се разпространява радиацията, като блокират или взаимодействат с определени дължини на вълната.
Именно тази по-реалистична картина изглежда е „липсващата съставка“, която е липсвала в предишните опити да се обясни как толкова големи галактики са се появили толкова рано.
Резултатът: виртуална Вселена, която прилича на истинската
В крайна сметка учените са успели да създадат синтетична Вселена, която удивително много напомня на нашата.
„Вълнуващо е да видиш как от компютъра излизат ‘галактики’, които изглеждат неразличими от истинските и споделят много от свойствата, които астрономите измерват в реалните данни – като брой, яркост, цветове и размери“, казва физикът Карлос Френк от Университета в Дърам, Великобритания.
По думите му най-забележителното е, че тази изкуствена Вселена е получена единствено чрез решаване на съответните уравнения на физиката в разширяваща се Вселена.
Какво все още не знаем
Въпреки че COLIBRE доближава симулациите до реалността, някои загадки остават. Сред тях са и т.нар. Little Red Dots – странни обекти от епохата на Космическата зора, открити от JWST.
Предположенията за природата им варират от свръхмасивни звезди до огромни черни дупки или дори екзотични комбинации между двете. Засега обаче те продължават да се изплъзват на лесно обяснение, а COLIBRE все още не дава ясен отговор и за тях.
Именно тази мистерия вероятно ще бъде сред основните теми на бъдещи изследвания.
Все по-близо до отговора за Космическата зора
Засега новите резултати подсказват нещо много важно: ранната Вселена може да не е толкова „проблемна“ за съвременната космология, колкото изглеждаше в началото. Вместо да рушат сегашните модели, наблюденията на JWST може просто да ни подтикват да ги направим по-точни и по-близки до реалността.
Изследването е публикувано в списанието Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
