Найбільша на сьогодні симуляція раннього Всесвіту, яка водночас враховує газ, темну матерію і випромінювання, відтворює добу появи перших галактик. Її створили, щоб перевіряти, чи правильно астрономи тлумачать знімки найдавніших об’єктів. Розрахунки показують, як випромінювання цих галактик змінювало газ між ними. І вперше в такому масштабі в них видно перетворення як водню, так і гелію.
Півтора мільярда світлових років
Симуляцію Lumina розробили в Гарвард-Смітсонівському центрі астрофізики. Вона відтворює ділянку у формі куба з ребром близько півтора мільярда світлових років. Це в 600 разів більше за відстань до галактики Андромеди, яка становить приблизно 2,5 мільйона світлових років. Попередні подібні симуляції охоплювали щонайменше в сто разів менший обсяг.
Через кілька сотень тисяч років після Великого вибуху протони й електрони вперше об’єдналися в атоми, і Всесвіт заповнив нейтральний газ, переважно водень і гелій. Коли засвітилися перші зорі й галактики, їхнє ультрафіолетове випромінювання знову почало вибивати з атомів електрони. Газ ставав іонізованим і нагрівався. Тому цей процес називають реіонізацією.
Відтворити його складно, бо доводиться водночас охоплювати величезну частину Всесвіту і розрізняти окремі галактики, що випромінюють ультрафіолет. Для цього знадобилося понад 15 тисяч графічних процесорів суперкомп’ютера Frontier, одного з найшвидших у світі, в Ок-Риджській національній лабораторії. Як повідомляє Phys.org, змодельований обсяг можна порівняти з ділянками, доступними для спостережень найпотужнішими сучасними телескопами.
Пізніша реіонізація гелію
Водень і гелій зазнали реіонізації в різні епохи. Чому для гелію вона настала пізніше? Перший електрон гелій втрачав разом із воднем, але другий утримується значно міцніше. Щоб вибити з атома водню єдиний електрон, достатньо 13,6 електронвольта, а для другого електрона гелію потрібно 54,4 електронвольта, тобто вчетверо більше. Таке жорстке випромінювання дають переважно квазари, яскраві ядра галактик із надмасивними чорними дірами, тому гелієва реіонізація завершилася приблизно на мільярд років пізніше за водневу.
Симуляція Lumina першою відтворює гелієву реіонізацію так, як вона відбувалася, і зміни в газі одразу позначаються на подальшому розвитку змодельованого Всесвіту. Нагрітий газ гірше стискається під дією гравітації, тож від його стану залежить, як утворюються нові галактики. Співавтор роботи Аарон Сміт з Техаського університету в Далласі наголошує, що перетворення водню і гелію вперше вдалося простежити в такому величезному обсязі, не втративши окремих галактик та інших джерел світла, які його спричинили. Результати вийшли в рецензованому журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Перевірка для теорій
Телескоп James Webb дав астрономам змогу роздивитися ранній Всесвіт так детально, як раніше не вдавалося. Провідний автор роботи Олівер Цір з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики пояснює, що для розуміння цих знімків теорії треба перетворити на конкретні передбачення. Саме для цього й потрібна симуляція. Якщо спостереження збігаються з її розрахунками, довіра до чинних уявлень зростає, а розбіжність покаже, де їх доведеться переглянути.
Над моделлю команда працювала кілька років. Тепер Lumina стане майданчиком для наступних досліджень, і першими на черзі рух газу між галактиками та розвиток ділянок бурхливого зореутворення.
