Astronomijos mįslė sklaidosi: mokslininkai atkūrė chaotišką vaizdą, kaip iš tiesų gimė galaktikos
Seniai, netrukus po Didžiojo sprogimo, Visata dar nebuvo tokia, kokią ją pažįstame šiandien: joje nebuvo susiformavusių galaktikų, o pirminė medžiaga tik pamažu pradėjo telktis į didesnes struktūras.
Kaip tiksliai vyko šis procesas ir iš ko buvo sudaryta ankstyvoji medžiaga, ilgą laiką išliko viena didžiausių astronomijos mįslių. Dabar mokslininkai žengė dar vieną žingsnį link atsakymo: pasitelkę kur kas galingesnes simuliacijas, jie detaliau atkūrė chaotišką ankstyvosios Visatos aplinką, kurioje susipynė dulkės, naujai gimstančios žvaigždės ir sudėtingi cheminiai procesai.
Gauti rezultatai rodo, kad Jameso Webbo kosminio teleskopo (JWST) aptiktos didelės galaktikos, regimos gerokai ankstesniu Visatos laikotarpiu, nei anksčiau manyta įmanoma, gali susiformuoti negriaunant dabartinių kosmologinių modelių – jei tik į skaičiavimus įtraukiama daugiau realių fizikos detalių.
„Kai kurie ankstyvieji JWST rezultatai buvo laikomi iššūkiu standartiniam kosmologiniam modeliui. Tačiau, kai pagrindiniai fizikiniai procesai atvaizduojami realistiškiau, modelis dera su tuo, ką matome“, – teigė Leideno universiteto Nyderlanduose astronomas Evgenii Chaikinas.
Po Didžiojo sprogimo kosmosas priminė itin karštą plazmos „sriubą“. Prireikė kelių šimtų milijonų metų, kol ji pakankamai atvėso ir sutankėjo, kad galėtų formuotis pirmosios žvaigždės ir galaktikos. Suprasti, kaip įvyko šis virsmas nuo „sriubos“ iki žvaigždžių, yra itin svarbu norint paaiškinti, kaip Visata tapo tokia, kokią ją stebime šiandien.
Vis dėlto tai – miglotas kosminės istorijos laikotarpis, kurio tiesiogiai stebėti šiuo metu neįmanoma. Dėl to mokslininkai remiasi simuliacijomis, kurios padeda atkurti Visatos formavimąsi ir raidą pagal fizikos dėsnius.
Tam reikia milžiniškų skaičiavimo resursų, todėl daugelis modelių ilgą laiką buvo kuriami supaprastinant dalį fizikos – taip siekiant sumažinti superkompiuterių apkrovą, bet išlaikyti patikimus rezultatus.
Kosmoso simuliacijų projektas „COLIBRE“ siekia užpildyti dalį šių spragų. Jame naudojami detalesni dujų, dulkių ir galingų išmetimų, kuriuos sukelia žvaigždės bei juodosios skylės, modeliai. Tai leidžia tiksliau tirti ankstyvosios Visatos raidą.
„Didelė dalis dujų realiose galaktikose yra šaltos ir dulkėtos, tačiau dauguma ankstesnių didelio masto simuliacijų to nepajėgė įtraukti. Su „COLIBRE“ pagaliau įtraukiame šiuos esminius komponentus“, – sakė Leideno universiteto astronomas Joop Schaye.
Iš esmės „COLIBRE“ yra miniatiūrinė Visata virtualioje „dėžėje“. Mokslininkai įveda pradines sąlygas, nustato taisykles ir leidžia simuliacijai vykti nuo laikų iki pirmųjų žvaigždžių gimimo iki šių dienų. Jei gautas „galutinis“ vaizdas panašus į realų kosmosą, galima manyti, kad pasirinkti parametrai gana tiksliai atspindi tikrus procesus.
Didžiausiems skaičiavimams prireikė apie 72 mln. procesoriaus valandų. Simuliacijos pagrindas – šaltos dujos, iš kurių, kaip žinoma, formuojasi žvaigždės. Tokį procesą modeliuoti sudėtinga, todėl tyrėjai įtraukė papildomą fiziką ir chemiją, kad sistema veiktų tikroviškiau.
Modelyje taip pat panaudotas dulkių aprašymas: dulkių grūdeliai suskirstyti į tris tipus ir du dydžius. Šios smulkios dalelės gali stipriai veikti Visatos evoliuciją. Pavyzdžiui, dulkės skatina laisvų atomų jungimąsi į molekules, o taip pat keičia spinduliuotės sklidimą – ją blokuodamos arba sąveikaudamos su tam tikrais bangos ilgiais.
Galiausiai tyrėjams pavyko sukurti virtualią Visatą, kuri daugeliu požymių primena mūsiškę.
„Neįtikėtina matyti, kaip iš kompiuterio skaičiavimų „išnyra“ galaktikos, kurios beveik nesiskiria nuo realių ir turi daugelį savybių, kurias astronomai matuoja stebėjimuose: jų skaičių, šviesį, spalvas ir dydžius“, – teigė Durhamo universiteto Jungtinėje Karalystėje fizikas Carlos Frenk.
„Labiausiai stebina tai, kad šią sintetinę Visatą sukuriame vien spręsdami aktualias fizikos lygtis besiplečiančioje Visatoje“, – pridūrė jis.
Nors „COLIBRE“ priartino simuliacijas prie realybės, dalis klausimų lieka neatsakyti. Viena ryškiausių JWST iškeltų mįslių, siejamų su kosmine aušra, yra reiškinys, kurį astronomai vadina mažaisiais raudonais taškais (angl. Little Red Dots).
Siūlomi paaiškinimai įvairūs: nuo milžiniškų žvaigždžių iki milžiniškų juodųjų skylių ar net žvaigždžių, kurių viduje slypi juodosios skylės. Kad ir kas tai būtų, šie objektai sunkiai pasiduoda aiškiam aiškinimui, o „COLIBRE“ kol kas taip pat nepateikia galutinio atsakymo.
Mažųjų raudonų taškų klausimas gali tapti vienu svarbiausių būsimų tyrimų krypčių. Tačiau jau dabar šie rezultatai rodo, kad mokslininkai artėja prie atsakymų apie vieną paslaptingiausių Visatos istorijos etapų.
Tyrimas publikuotas žurnale Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
