Как первые звезды изменили Вселенную: новые модели связали далекие галактики и древние звезды

Исследователи выяснили, что для такого сопоставления нужно совместно учитывать свет звезд, движение газа и изменения его химического состава. Упрощенные модели могут недооценивать, как звездное излучение и химические процессы влияют на газ вокруг галактик. MEGATRON рассчитывает эти процессы с высоким разрешением и различает газовые структуры, которые более простые модели не воспроизводят. Это помогает уточнить прогнозы, которые астрономы проверяют по данным нынешних и будущих наблюдений.

Проект возглавляют исследователи из Университета Бата в Великобритании. С ними работают коллеги из Чикагского университета в США и Парижского института астрофизики во Франции. Команда опубликовала в журнале The Open Journal of Astrophysics четыре исследования. Это первая серия результатов MEGATRON; авторы готовят следующие работы. В моделях они объединили расчеты космологической эволюции, переноса излучения, химических процессов и того, как формируются галактики.

«Джеймс Уэбб» и древние звезды дают два разных способа изучить раннюю Вселенную. Телескоп принимает свет далеких молодых галактик и показывает, какими они были в начале своей истории. Звезды в нашей галактике и рядом с ней сохраняют химический состав газа, из которого родились. По этому составу астрономы восстанавливают свойства более ранних звезд и выясняют, какие элементы те оставили после себя.

Расчеты начинаются с первичного газа без тяжелых элементов — такие условия существовали вскоре после Большого взрыва. Затем модель прослеживает, как рождаются первые звезды, как распространяется их излучение и как сверхновые выбрасывают в окружающий газ новые элементы. Этот газ становится материалом для следующих поколений звезд и галактик.

Команда моделирует молодую галактику, которая со временем должна вырасти в систему с массой, близкой к массе Млечного Пути. Компьютер одновременно рассчитывает движение газа, распространение звездного света и концентрации химических элементов. Так исследователи прослеживают, как звезды меняют газ внутри галактики и вокруг нее на протяжении миллиардов лет.

Эти расчеты помогают изучить происхождение углерода, кислорода, железа и других элементов, из которых состоит окружающий нас мир. Чтобы понять их историю, нужно выяснить, как возникли первые звезды и как они обогатили свое окружение. MEGATRON позволяет проверять такие модели сразу по двум наборам данных: наблюдениям ранних галактик и химическому составу древних звезд. Вместе они дают возможность сравнивать конкурирующие представления о первых звездах.

В дальнейшем команда планирует теснее связать расчеты с новыми наблюдениями. «Джеймс Уэбб» продолжает изучать ранние галактики, а масштабные звездные обзоры будут давать все более подробные сведения о древних звездах Млечного Пути и его окрестностей.

Мартин Рей и его коллеги в Бате уже разрабатывают следующее поколение моделей. Проект получил 40 миллионов процессорных часов на национальных суперкомпьютерах Великобритании. Эти ресурсы позволят повысить разрешение и полнее описать физические процессы, чтобы точнее сопоставлять результаты с данными телескопа и химическими следами в древних звездах. MEGATRON начался в 2023 году и рассчитан до 2030 года.

Иллюстрация Harley B. Katz, Martin P. Rey