Для астрономов и космологов эпоха Тёмных веков Вселенной остаётся последним рубежом, где хранятся ответы на вопросы о том, как формировались и развивались первые звёзды и галактики. Согласно наиболее распространённым теориям, первое поколение звёзд появилось примерно через 100–400 миллионов лет после Большого взрыва. Даже мощная оптика телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» пока не позволяет учёным разглядеть эти древние светила при наблюдении ранней Вселенной и её молодых галактик.
Международная группа исследователей применила проект MEGATRON, чтобы приблизиться к решению этой задачи. С помощью этого набора космологических симуляций, а также сложных моделей радиации, химических процессов и формирования галактик команда создала самые детальные на сегодняшний день симуляции ранней Вселенной. Результаты показали связь между наблюдениями ранней Вселенной и химическим «отпечатком» старейших звёзд Млечного Пути.
Исследование возглавили специалисты из Батского университета, Института космологической физики Кавли, Института астрофизики в Париже, Лундской обсерватории, Кембриджского института космологии Кавли, Кавендишской лаборатории, Института физики частиц и астрофизики Кавли (KIPAC), Астрономической обсерватории Стерренкундиг, Лаборатории астрофизики и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL). Свои выводы они представили в четырёх статьях, опубликованных в Open Journal of Astrophysics.
Проект MEGATRON стартовал в 2023 году и рассчитан до 2030 года. С его помощью команда изучала, как звёзды на протяжении миллиардов лет влияли на газ в межзвёздной и межгалактической среде. В расчёты включили продвинутые компьютерные модели, отслеживающие движение газа, распространение звёздного света и изменение концентраций химических элементов. Это позволило проследить эволюцию молодой галактики, которая в итоге выросла до массы, сопоставимой с Млечным Путём.
Как отметил доктор Мартин Рей из физического факультета Батского университета и один из ведущих участников коллаборации MEGATRON: «MEGATRON обеспечивает общую физическую основу для интерпретации двух самых захватывающих новых наборов астрономических данных: наблюдений JWST за самыми ранними галактиками и звёздной летописи. Вместе эти взаимодополняющие наблюдения позволяют проверять конкурирующие модели первых звёзд так, как это было невозможно ранее».
Симуляции начались с условий, существовавших вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная была заполнена первичным газом без тяжёлых элементов. Затем в модель включили рождение первых звёзд (население III), их интенсивное излучение и мощные сверхновые, которые обогатили межзвёздную и межгалактическую среду новыми тяжёлыми элементами. Наконец, расчёты показали, как эти элементы вошли в состав следующих поколений звёзд и галактик.
«Космический телескоп „Джеймс Уэбб“ даёт нам прямое представление о младенческой Вселенной, а звёздная археология позволяет изучать реликты тех древнейших времён в нашем галактическом окружении, — сказал доктор Рей. — MEGATRON служит физическим мостом между этими двумя подходами».
Результаты показывают, что точный учёт взаимодействия звёздного света, газа и вновь образованных элементов необходим для связывания прорывных наблюдений «Уэбба» за молодыми галактиками с химическим составом, сохранившимся в древних звёздах. Понимание этого процесса имеет ключевое значение для ответа на фундаментальный вопрос о происхождении элементов, из которых состоит Вселенная.
Полученные данные также говорят о том, что прежние упрощённые модели эволюции галактик недооценивали влияние звёздного излучения и сложных химических процессов на газ в межгалактической среде. Благодаря исключительно высокому разрешению, которого добилась команда, удалось различить газовые структуры, недоступные для более простых моделей. Достижение с MEGATRON поможет астрономам улучшить прогнозы для текущих и будущих наблюдений.
«Элементы, которые делают возможными наш мир и жизнь — углерод, кислород, железо и многие другие — были созданы звёздами. Чтобы понять, откуда взялись эти элементы, нужно разобраться, как формировались первые звёзды и обогащали своё окружение. MEGATRON позволяет напрямую проверять эти идеи, сравнивая детальные симуляции с наблюдениями JWST и химическими отпечатками, сохранившимися в древних звёздах», — сказал доктор Рей.
В дальнейшем доктор Рей и его коллеги в Бате уже разрабатывают следующее поколение симуляций. Их конечная цель — использовать MEGATRON, чтобы укрепить связи между теорией и продолжающимися наблюдениями «Уэбба» за ранней Вселенной. Проекту недавно выделили 40 миллионов процессорных часов на национальных суперкомпьютерах Великобритании, что позволит проводить расчёты с более высоким разрешением и более полными физическими моделями.