Астрономы давно заворожены тайнами рождения первых звезд, но заглянуть в глубокое прошлое космоса напрямую крайне сложно. Однако последние исследования показывают, что ответы могут находиться гораздо ближе, чем кажется на первый взгляд. Крошечные спутники нашей Галактики, известные как ультраслабые карликовые галактики, оказались настоящими капсулами времени. Эти объекты в миллионы раз меньше Млечного Пути, но именно их хрупкость делает их идеальными индикаторами того, что происходило во Вселенной миллиарды лет назад. Группа ученых из Стокгольмского и Даремского университетов использовала мощнейшие суперкомпьютеры, чтобы смоделировать жизнь этих звездных систем, и результаты оказались впечатляющими.

 

Космическая археология в окрестностях Млечного Пути

Ультраслабые галактики часто называют маленькими кузенами нашей звездной системы. Они формируются в небольших сгустках темной материи, которые предсказывает стандартная модель космологии. Из-за своих ничтожных размеров и малой массы эти системы крайне чувствительны к любым внешним воздействиям. Если массивному Млечному Пути практически все равно, какой радиационный фон царил вокруг на заре времен, то для его крошечных соседей условия окружающей среды имели решающее значение. Фактически, именно местный климат ранней Вселенной определял, сможет ли в таком облаке газа зажечься хотя бы одна звезда или объект так и останется невидимым темным сгустком.

Шон Браун, руководивший исследованием, сравнивает этот процесс с сельским хозяйством. По его мнению, состояние урожая летом может очень много рассказать о том, какой была погода весной:

Точно так же свойства слабых карликовых галактик сегодня способны поведать нам об условиях и погоде во Вселенной в эпоху ее младенчества.

Исследователи из коллаборации LYRA провели уникальную серию симуляций с беспрецедентным разрешением. Они изучили, как различные уровни радиации в первые пятьсот миллионов лет существования мира повлияли на облик галактик спустя тринадцать миллиардов лет. Оказалось, что даже небольшие колебания в уровне излучения на ранних этапах полностью меняют биографию маленьких галактик. Это делает их бесценными свидетелями эпохи, которую ученые пока не могут наблюдать напрямую.

 

Сложности моделирования невидимых миров

Воссоздать жизнь таких маленьких объектов на компьютере — задача не из легких. Трудность заключается в том, что в ультраслабых галактиках протекают физические процессы на очень разных масштабах. Нужно одновременно учитывать и поведение огромных массивов темной материи, и рождение отдельных звезд. Для этого ученым потребовался суперкомпьютер COSMA 8, специально созданный для подобных вычислений. Работа заняла более полугода непрерывного машинного времени, а объем полученных данных превысил триста терабайт.

1. Старые алгоритмы пришлось полностью переписывать, чтобы они могли обрабатывать такие массивы информации;
2. Ученые детально проработали влияние ультрафиолетового фона на газ внутри малых систем;
3. Симуляция охватила самую большую выборку карликовых спутников за всю историю подобных работ.

Такая детальность позволила увидеть, как одни гало темной материи превращаются в видимые галактики, а другие навсегда остаются стерильными. Эти виртуальные эксперименты создали фундамент для работы с реальными телескопами, которые скоро вступят в строй. Теперь у астрономов есть четкие предсказания о том, что именно они должны увидеть в глубинах космоса, чтобы подтвердить или опровергнуть теории о составе темной материи.

 

Новые горизонты с современными телескопами

Сегодня внимание исследователей приковано к Обсерватории имени Веры Рубин, которая готовится начать работу в Чили. Этот телескоп сможет провести практически полную перепись всех спутников Млечного Пути. Согласно официальным данным, новые наблюдения позволят обнаружить сотни ранее неизвестных тусклых галактик. В сочетании с данными космического телескопа Джеймс Уэбб, который уже находит неожиданно яркие и массивные системы в далеком прошлом, это поможет собрать воедино пазл эволюции космоса.

• Карликовые спутники помогут уточнить природу таинственной темной материи;
• С их помощью можно будет найти места, где родилось самое первое поколение звезд;
• Данные укажут на точные границы эпохи реионизации, когда Вселенная стала прозрачной для света;
• Ученые поймут, почему одни галактики растут до гигантских размеров, а другие замирают в развитии.

Доцент Азаде Фаттахи отмечает, что работа ее команды дает ключ к пониманию физики ранней Вселенной через изучение нашего локального окружения. Это напоминает работу археолога, который по мелким черепкам у себя под ногами восстанавливает историю древней цивилизации. Вместо того чтобы пытаться разглядеть невнятные пятнышки на краю видимого мира, мы можем изучать их близких родственников буквально на заднем дворе нашей Галактики.

Такой подход избавляет науку от лишних догадок. Если симуляции точно воспроизводят то, что видят реальные телескопы в наших окрестностях, значит, мы на верном пути в понимании фундаментальных законов природы. Каждая крошечная тусклая искра света на небе, едва заметная даже в самые мощные приборы, несет в себе информацию о тех временах, когда еще не существовало ни планет, ни привычных нам крупных созвездий. В ближайшие годы, благодаря объединению суперкомпьютерных расчетов и новых оптических систем, человечество наконец сможет увидеть полную картину своего космического происхождения.