Мощные моделирования показали, как первые звёзды изменили Вселенную

Мощные симуляции показывают, как первые звёзды изменили Вселенную

Новые мощные симуляции воссоздают то, как первые звёзды осветили Вселенную и создали элементы, которые в конечном итоге позволили образоваться планетам и зародиться жизни.

Исследователи используют исключительно подробные компьютерные симуляции, чтобы реконструировать один из наиболее преобразующих периодов космической истории: эпоху, когда начали возникать первые звёзды и галактики.

Эта работа является частью проекта MEGATRON, которым руководят учёные из Университета Бата (Великобритания) совместно с сотрудниками Чикагского университета (США) и Института астрофизики Парижа (Франция). Проект направлен на исследование того, как самые ранние звёзды и галактики осветили ранее тёмную Вселенную и начали производить и распространять химические элементы, которые позднее стали важными ингредиентами планет, жизни и окружающего нас мира.

Четыре исследования в рамках MEGATRON

Четыре исследования в рамках MEGATRON, опубликованные в Open Journal of Astrophysics, объединяют передовые космологические симуляции с детальными моделями излучения, химии и формирования галактик. В совокупности они представляют собой первую крупную подборку опубликованных результатов коллаборации; в будущем ожидаются дополнительные работы.

Связь JWST и древних звёздных указаний

Результаты показывают, что для корректного соединения двух разных свидетельств ранней Вселенной исследователям необходимо точно моделировать сложные взаимодействия между светом звёзд, газом и вновь образованными элементами.

Одно из этих свидетельств поступает из наблюдений молодых галактик, сделанных космическим телескопом Джеймса Вебба (JWST). Другое — из химических сигнатур, сохранившихся в некоторых из старейших звёзд в и вокруг Млечного Пути — галактики, которая содержит нашу Солнечную систему.

JWST позволяет астрономам непосредственно наблюдать галактики из младенчества Вселенной. Древние звёзды дают иной вид доказательств, выступая как ископаемая летопись событий, произошедших миллиарды лет назад. Изучая химические отпечатки внутри этих старых звёзд, учёные могут сделать выводы о том, какими были первые звёзды и как они начали обогащать космос первыми химическими элементами.

Симуляции MEGATRON

Симуляции MEGATRON отслеживают молодую галактику по мере её эволюции в систему примерно сравнимую по массе с Млечным Путём. Модели одновременно учитывают движение газа, распространение звёздного излучения и изменение концентраций различных химических элементов во времени.

Это позволяет исследователям изучать, как поколения звёзд изменяли газ внутри и вокруг галактик на протяжении миллиардов лет эволюции.

Более простые модели могут упускать важную физику

Результаты указывают на то, что менее детальные модели могут недооценивать, насколько сильно звёздное излучение и сложные химические процессы влияют на газ вокруг галактик.

Благодаря моделированию этих эффектов с исключительно высоким разрешением исследователи смогли захватить структуры в газе, которые простые подходы могут пропустить. Такое дополнительное разрешение может помочь астрономам делать более точные прогнозы для наблюдений, которые уже собираются, а также для планируемых в будущем.

Непосредственный взгляд на младенческую Вселенную

Доктор Мартин Рей из факультета физики Университета Бата и один из ведущих участников сотрудничества MEGATRON сказал: «Космический телескоп Джеймса Вебба даёт нам прямой взгляд на младенческую вселенную, тогда как звёздная археология позволяет нам изучать реликты тех ранних времён в нашей собственной галактической окрестности. MEGATRON создает физический мост между этими двумя данными».

Симуляции начинают с первичного газа, не содержащего тяжёлых элементов, воссоздавая условия, существовавшие вскоре после Большого взрыва.

Далее модели отслеживают формирование первых звёзд, излучение, которое эти звёзды испускают, сверхновые взрывы, наступающие в конце их жизни, и распространение вновь созданных элементов в последующие поколения звёзд и галактик.

Ответ на фундаментальные вопросы астрономии

Реконструкция этого процесса может помочь ответить на один из наиболее фундаментальных вопросов астрономии: откуда взялись элементы, которые составляют современную Вселенную?

Доктор Рей сказал: «Элементы, которые делают возможными наш мир и жизнь — углерод, кислород, железо и многие другие — были созданы звёздами. Чтобы понять, откуда появились эти элементы, нам нужно понять, как формировались первые звёзды и как они обогащали своё окружение. MEGATRON позволяет нам проверять эти идеи напрямую, сравнивая детальные симуляции с наблюдениями JWST и химическими отпечатками, сохранёнными в древних звёздах».

Прослеживание происхождения космических элементов

По мере развития проекта исследователи планируют использовать MEGATRON для установления ещё более прочных связей между теоретическими моделями и быстро улучшающимися астрономическими наблюдениями.

JWST продолжает раскрывать новую информацию о некоторых из ранних известных галактик, в то время как крупные звёздные обзоры дают всё более детальные измерения древних звёзд в окрестностях Млечного Пути. Сочетание этих двух источников данных может дать учёным гораздо более ясную картину первых поколений звёзд.

Доктор Рей и его коллеги в Бате уже работают над следующим поколением симуляций MEGATRON.

Проект получил 40 миллионов процессорных часов на национальных суперкомпьютерах Великобритании. Это количество вычислительной мощности эквивалентно одновременному запуску пяти миллионов ноутбуков в течение целого года.

Дополнительные ресурсы позволят команде создавать симуляции с ещё большим разрешением и более полными физическими моделями. Исследователи затем смогут проводить всё более прямые сравнения между своими симуляциями, наблюдениями JWST и химической «ископаемой» записью, сохранённой в древних звёздах.

MEGATRON и новые астрономические данные

«MEGATRON предоставляет общую физическую основу для интерпретации двух из самых захватывающих новых наборов данных в астрономии: взгляд JWST на ранние галактики и звёздный ископаемый архив», — сказал доктор Рей. «Вместе эти взаимодополняющие наблюдения позволяют нам проверять конкурирующие модели первых звёзд способами, которые ранее были недоступны».

Проект MEGATRON начался в 2023 году и запланирован до 2030 года.

Материалы предоставлены Университетом Бата.

Martin Rey, Harley Katz, Corentin Cadiou, Mahsa Sanati, Oscar Agertz, Jeremy Blaizot, Alex J. Cameron, Nicholas Choustikov, Julien Devriendt, Uliana Hauk, Alexander P. Ji, Gareth C. Jones, Taysun Kimm, Isaac Laseter, Sergio Martin-Alvarez, Kosei Matsumoto, Autumn Pearce, Yves Revaz, Francisco Rodriguez Montero, Joki Rosdahl, Aayush Saxena, Adrianne Slyz, Richard Stiskalek, Anatole Storck, Oscar Veenema, Wonjae Yee. MEGATRON: how the first stars can create an iron metallicity plateau in the smallest dwarf galaxies. The Open Journal of Astrophysics, 2026; 9 DOI: 10.33232/001c.169605