Новое моделирование пересматривает стандартную модель космологии

Когда ученые увидели первые изображения самых ранних галактик Вселенной, полученные космическим телескопом Джеймса Уэбба, они были потрясены. Молодые галактики оказались слишком яркими, слишком массивными и слишком зрелыми, чтобы сформироваться так вскоре после Большого взрыва.

Это было бы похоже на то, как если бы младенец превратился во взрослого человека всего за пару лет.

Это поразительное открытие даже заставило некоторых физиков поставить под сомнение стандартную модель космологии и задуматься о том, не следует ли ее пересмотреть.

Используя новое моделирование, группа астрофизиков под руководством Северо-Западного университета обнаружила, что эти галактики, скорее всего, не так уж и массивны. Хотя яркость галактики обычно определяется ее массой, новые результаты позволяют предположить, что менее массивные галактики могут светиться так же ярко из-за нерегулярных ярких вспышек звездообразования.

Это открытие не только объясняет, почему молодые галактики кажутся обманчиво массивными, но и вписывается в стандартную модель космологии.

Результаты исследования опубликованы в журнале Astrophysical Journal Letters.

«Открытие этих галактик стало большим сюрпризом, поскольку они оказались значительно ярче, чем предполагалось», — сказал старший автор исследования Клод-Андре Фоше-Жигер (Claude-André Faucher-Giguère) из Северо-Западного университета. „Обычно галактики яркие, потому что они большие. Но поскольку эти галактики образовались на заре космической эры, с момента Большого взрыва прошло недостаточно времени. Как же эти массивные галактики могли собраться так быстро? Наше моделирование показывает, что галактики такой яркости без проблем формируются к космическому рассвету“.

Ключевым моментом является воспроизведение достаточного количества света в системе за короткий промежуток времени, — добавил руководитель исследования Гуочао Сунь.

Это может произойти либо потому, что система очень массивна, либо потому, что она обладает способностью быстро производить много света. В последнем случае система не обязательно должна быть такой массивной. Если звездообразование происходит в виде всплесков, то это приводит к вспышкам света. Именно поэтому мы видим несколько очень ярких галактик.

Фоше-Гигер — доцент кафедры физики и астрономии Вайнбергского колледжа искусств и наук Северо-Западного университета, сотрудник Центра междисциплинарных исследований в области астрофизики (CIERA). Сун является постдокторским научным сотрудником CIERA в Северо-Западном университете.

Космический рассвет — период, продолжавшийся примерно от 100 млн. лет до 1 млрд. лет после Большого взрыва, — ознаменовался образованием первых звезд и галактик во Вселенной. До запуска JWST в космос астрономы почти ничего не знали об этом древнем периоде.

JWST принес нам много знаний о космическом рассвете, — говорит Сун.

До появления JWST большая часть наших знаний о ранней Вселенной была спекуляцией, основанной на данных из очень немногих источников. Благодаря огромному увеличению наблюдательной мощности мы можем увидеть физические детали галактик и использовать эти надежные наблюдательные данные для изучения физики, чтобы понять, что происходит.

В новом исследовании Сун, Фоше-Жигьер и их коллеги использовали передовые компьютерные симуляции для моделирования процесса формирования галактик сразу после Большого взрыва. В результате моделирования были получены галактики «космической зари», которые по яркости не уступали галактикам, наблюдаемым прибором JWST. Моделирование является частью проекта Feedback of Relativistic Environments (FIRE), одним из основателей которого является Фоше-Жигьер с сотрудниками из Калифорнийского технологического института, Принстонского университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего. В новом исследовании принимают участие сотрудники Центра вычислительной астрофизики Института Flatiron, Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Дэвисе.

Имитационные модели FIRE объединяют астрофизическую теорию и передовые алгоритмы для моделирования формирования галактик. Эти модели позволяют исследователям изучить, как галактики формируются, растут и меняют форму, учитывая при этом энергию, массу, импульс и химические элементы, возвращающиеся от звезд.

Когда Сун, Фоше-Жигьер и их команда провели моделирование ранних галактик, образовавшихся на заре космической эры, они обнаружили, что звезды формируются в виде всплесков — концепция, известная как «вспышечное звездообразование». В массивных галактиках, таких как Млечный Путь, звезды образуются с постоянной скоростью, и их количество постепенно увеличивается с течением времени. Но при так называемом бурном звездообразовании звезды образуются попеременно — сразу много звезд, затем миллионы лет очень мало новых звезд, а потом снова много звезд.

Вспышечное звездообразование особенно характерно для галактик с малой массой, — говорит Фоше-Жигьер.

Детали того, почему это происходит, все еще являются предметом постоянных исследований. Но мы считаем, что происходит вспышка звездообразования, а затем, через несколько миллионов лет, эти звезды взрываются в виде сверхновых. Газ выбрасывается наружу, а затем снова попадает внутрь, образуя новые звезды, что приводит в движение цикл звездообразования.

Но когда галактики становятся достаточно массивными, они обладают гораздо более сильной гравитацией. Когда сверхновые взрываются, их силы недостаточно, чтобы выбросить газ из системы. Гравитация удерживает галактику вместе и приводит ее в устойчивое состояние.

Моделирование также позволило получить такое же количество ярких галактик, которое было обнаружено JWST. Другими словами, количество ярких галактик, предсказанное моделированием, совпадает с количеством наблюдаемых ярких галактик.

Хотя другие астрофизики высказывали гипотезы о том, что за необычную яркость галактик на рассвете космоса может отвечать взрывное звездообразование, северо-западные исследователи впервые с помощью детального компьютерного моделирования доказали, что это возможно. Причем им удалось сделать это без добавления новых факторов, не согласующихся с нашей стандартной моделью Вселенной.

Большая часть света в галактике исходит от наиболее массивных звезд, — заключает Фоше-Жигьер.

Поскольку более массивные звезды сгорают с большей скоростью, их жизнь короче. Они быстро расходуют свое топливо в ядерных реакциях. Таким образом, яркость галактики напрямую зависит от количества звезд, образовавшихся в ней за последние несколько миллионов лет, а не от массы галактики в целом.

Иллюстрация: Aaron M. Geller, Northwestern, CIERA + IT-RCDS

03.10.2023