За допомогою нових комп’ютерних симуляцій астрофізики відтворили, як у ранньому Всесвіті формувалися перші галактики. Так вдалося пов’язати спостереження James Webb із хімічним складом найстаріших зір поблизу Чумацького Шляху. Один із результатів стосується загадки однакового вмісту заліза в найтьмяніших карликових системах. За розрахунками, більшість із них отримала цей метал від єдиного вибуху надзвичайно масивного світила тієї епохи.
Дві картини раннього Всесвіту
Ранні галактики за допомогою James Webb бачать такими, якими вони були понад 13 мільярдів років тому. Найстаріші зорі Чумацького Шляху вивчають у їхньому нинішньому стані. У спектрах далеких об’єктів визначають переважно кисень, а в старих світилах залізо, тож напряму ці дані не порівняти.
Проєкт MEGATRON створили, щоб поєднати ці два джерела знань в одній фізичній моделі. Його очолюють науковці Батського університету разом із колегами з Чикаго і Парижа. Як повідомляє EurekAlert, 30 вересня в рецензованому журналі Open Journal of Astrophysics вийшли чотири статті команди.
Як працює симуляція
Симуляція стартує з первісного газу без важких елементів, як одразу після Великого вибуху. У ній простежують утворення перших зір, вибухи наднових і потрапляння синтезованих елементів до складу наступних поколінь світил. Рух речовини, поширення світла і хімію десятків видів атомів і молекул розраховують разом, бо вони впливають одне на одного.
Спрощені моделі могли недооцінювати вплив зоряного випромінювання на газ довкола галактик. Нова симуляція відтворює дрібні деталі будови цього газу, що допомагає покращити прогнози для спостережень.
Ділянку простору підібрали так, щоб згодом із неї виросла галактика з масою Чумацького Шляху. Деталізація сягає кількох парсеків, тобто близько 10 світлових років, тож у моделі видно окремі хмари газу, де утворювалися перші зорі.
Загадка залізного плато
Сумарна маса зір у найтьмяніших карликових галактиках навколо Чумацького Шляху не перевищує 100 тисяч мас Сонця. Зазвичай чим легша галактика, тим менше в ній заліза. Тут ця закономірність не спрацьовує. Найменші карликові системи містять цього металу приблизно стільки ж, скільки найбільші, загалом в 300 разів менше, ніж Сонце.
Астрономи називають цю особливість залізним плато. Теоретикам довго не вдавалося пояснити, звідки в таких маленьких галактиках стільки заліза.
Один вибух на галактику
У симуляціях утворилося понад 500 карликових галактик і в 78% найлегших із них вміст заліза виявився таким самим, як у спостереженнях. У типовій такій системі стався рівно один вибух зорі першого покоління, що була від 160 до 300 разів масивнішою за Сонце. Таке світило повністю розлітається, не залишаючи чорної діри.
Під час вибуху вивільняється близько п’яти мас Сонця заліза. Щоб з’явилося світило, газ має охолонути і стиснутися під дією власного тяжіння. Ультрафіолетове випромінювання сусідньої протогалактики заважало цьому в дрібних скупченнях темної матерії, тож перші зорі виникали лише в масивніших, де притягання утримувало викинутий метал. За спрощеним підрахунком авторів, рівномірно розподілене в такому об’єкті залізо дає якраз той вміст, що й у спостережуваних карликових галактиках.
Прогноз для нових телескопів
Модель передбачає, що приблизно кожна п’ята найтьмяніша галактика має містити щонайменше в тисячу разів менше заліза, ніж Сонце. Серед 38 систем із виміряним вмістом заліза такої поки не знайшли, проте автори в статті на arXiv наголошують, що цей перелік досі неповний.
Водночас у карликовій системі Живописець II виміряли середній вміст заліза, що майже сягає цього тисячократного порогу, а в одній з її зір цей показник ще вдесятеро нижчий. На думку дослідників, середні значення можуть бути завищеними, бо в кожному випадку вивчили лише кілька світил.
Нових кандидатів у найтьмяніші карликові галактики очікують від Обсерваторії імені Вери Рубін, а їхній склад вимірюватимуть за допомогою надвеликих телескопів. Сама модель спирається на припущення, що перші зорі були переважно дуже масивними, а азоту в розрахунках виходить на кілька порядків менше, ніж у спостереженнях.
