От Темных веков до первых галактик: история Космического рассвета

Большой взрыв захватывает воображение, как никакая другая теория в науке: великолепное рождение нашей Вселенной. Но знаете ли вы, что было дальше?

100 миллионов лет темноты

Когда в космосе в конце концов зажглись первые звезды, они были больше и ярче, чем все последующие. Они так интенсивно сияли ультрафиолетовым светом, что превращали окружающие атомы в ионы. Космический рассвет – от первой звезды до завершения эпохи реионизации – длился примерно один миллиард лет.

«Откуда взялись первые звезды? И как они собрались в галактики, которые мы видим сегодня? Вот наши главные вопросы», – говорит профессор Майкл Норман, директор Суперкомпьютерного центра в Сан-Диего (США), автор нового обзора, опубликованного в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences.

Вселенная в коробке

Исследователи, такие как профессор Майкл Норман, решают математические уравнения в кубической виртуальной Вселенной. Они потратили более 20 лет на использование и усовершенствование программного обеспечения, чтобы лучше понять Космический рассвет.

Для начала был создан код, который позволил смоделировать формирование первых звезд во Вселенной, описывающий их движение и химические реакции внутри газовых облаков и огромное гравитационное притяжение гораздо большей, но невидимой массы таинственной темной материи.

«Облака чистого водорода и гелия коллапсировали под действием собственной силы тяжести, чтобы разжечь одиночные звезды, в сотни раз более массивные, чем наше Солнце», – объясняет Майкл Норман.

Самые первые тяжелые элементы, образованные в ядрах первых звезд: крупицы лития и бериллия. Но со смертью недолговечных гигантов, взорвавшихся ослепительными сверхновыми, такие металлы, как железо, были в изобилии распылены в космос.

Эти данные были добавлены в виртуальную Вселенную для моделирования обогащения газовых облаков новообразованными металлами, что привело к формированию нового типа звезд. Переход был быстрым: за 30 миллионов лет практически все новые светила в них были обогащены металлами, несмотря на то, что процесс протекал локально и в финале моделирования более 80% виртуальной Вселенной все еще не содержало металлов.

«Образование свободных от металла гигантских звезд не остановилось. Маленькие скопления возникали там, где было достаточно темной материи, охлаждающей девственные облака водорода и гелия.

От звезд до галактик

Новые поколения звезд были меньше размером и намного многочисленнее, потому что с металлами стали возможными химические реакции. На этом этапе в моделировании Вселенной появляются первые объекты, которые по праву можно назвать галактиками, включающие темную материю, газ и обогащенные металлом звезды.

Размер первых галактик оказался меньше ожидаемого, поскольку интенсивное излучение молодых массивных звезд уплотнило газ в регионы звездообразования. В свою очередь, излучение от самых маленьких галактик значительно способствовало космической реионизации.

Эти трудноопределяемые, но многочисленные галактики могут объяснить период окончания Космического рассвета, когда реионизация была завершена.

Нестандартное мышление

Майкл Норман и его коллеги объясняют, что вычислительные ограничения в цифровых симуляциях преодолеваются за счет упрощения частей модели наименее релевантных интересующим результатам. Авторы также выделяют области неопределенности, которые необходимо решить новым поколениям симуляций с использованием усовершенствованных кодов на будущих высокопроизводительных вычислительных платформах.

Это поможет ученым понять роль магнитных полей, рентгеновских лучей и космической пыли в охлаждении газа, а также преобладание и поведение таинственной темной материи, которая стимулирует образование звезд.