Давним-давно, в часи, коли галактики ще не зібралися з первинної матерії, що заповнювала Всесвіт після Великого вибуху, виникло питання, як цей процес відбувався і з чого складалася ця матерія. Тепер вчені можуть бути ближчими до розуміння формування і еволюції галактик завдяки новим потужним симуляціям, які враховують хаос пилу, новонароджених зірок і складної хімії на зорі часу.

Результати показують, що великі галактики, які спостерігалися телескопом JWST раніше, ніж ми думали, можуть формуватися без порушення наших поточних моделей, якщо в симуляції включити більше деталей.

"Деякі ранні результати JWST вважалися такими, що ставлять під сумнів стандартну космологічну модель", - говорить астроном Євгеній Чайкін з Лейденського університету в Нідерландах. "Коли ключові фізичні процеси представлені більш реалістично, модель узгоджується з тим, що ми спостерігаємо".

Після Великого вибуху простір був своєрідним "гарячим безладом" плазми, яка потребувала кілька сотень мільйонів років, щоб охолонути і конденсуватися до формування перших зірок і галактик. Як саме відбувалася ця трансформація є критично важливим для розуміння того, як Всесвіт досягнув того, чим є сьогодні.

Однак це період космічної історії, який наразі неможливо спостерігати безпосередньо, тому вчені покладаються на інструменти, такі як симуляції, щоб спробувати відтворити формування та еволюцію Всесвіту.

Симуляції вимагають великої обчислювальної потужності, яку забезпечують суперкомп'ютери, і для зменшення навантаження багато симуляцій базуються на спрощених моделях фізики, які все ще повинні давати надійні результати.

Проект COLIBRE намагається заповнити деякі з цих прогалин, включаючи більш детальні фізичні моделі газу, пилу та потужних викидів, викликаних зірками та чорними дірами, щоб вивчити еволюцію раннього Всесвіту.

"Багато газу в реальних галактиках холодне і пилове, але більшість попередніх великих симуляцій змушені були ігнорувати це", - говорить астроном Йоп Шайє з Лейденського університету. "З COLIBRE ми нарешті включаємо ці важливі компоненти в картину".

COLIBRE - це, по суті, мініатюрний Всесвіт у віртуальній коробці. Вчені вводять інгредієнти, задають правила і запускають симуляцію, від народження зірок до сучасності. Якщо результати в кінці симуляції виглядають як космос навколо нас, то параметри можна вважати розумною імітацією процесів, які насправді відбувалися.

Найбільша з симуляцій вимагала 72 мільйонів годин процесора, але результати того варті. Програма базувалася на холодному газі, з якого відомо, що формуються зірки. Це досить складно змоделювати, але дослідники включили додаткову фізику і хімію, необхідні для того, щоб це спрацювало.

Симуляція також включала модель пилу, де частинки представлені трьома типами і двома розмірами. Ці маленькі частинки пилу можуть впливати на еволюцію Всесвіту кількома способами. Пил сприяє злиттю вільних атомів у молекули, наприклад, і формує спосіб, яким випромінювання поширюється, блокуючи або взаємодіючи з певними довжинами хвиль.

В результаті дослідники змогли створити віртуальний Всесвіт, який виглядає як двійник нашого власного.

"Це захоплююче бачити 'галактики', які виходять з нашого комп'ютера, які виглядають не відрізняючись від реальних і мають багато властивостей, які астрономи вимірюють у реальних даних, таких як їхня кількість, світність, кольори та розміри", - говорить фізик Карлос Френк з університету Дарема у Великобританії.

"Найбільш вражаюче те, що ми можемо створити цей синтетичний Всесвіт, вирішуючи відповідні рівняння фізики в розширюваному Всесвіті".

Хоча COLIBRE наблизив симуляції до реального Всесвіту, деякі питання залишаються без відповіді. Однією з найбільших загадок, які JWST виявив на космічному світі, є явище, яке астрономи називають Маленькі червоні точки.

Пояснення варіюються від гігантських зірок до гігантських чорних дір до гігантських зірок з чорними дірами всередині них. Що б це не було, вони не піддаються легкому поясненню, і COLIBRE також не має пояснення для них.

Питання про Маленькі червоні точки може стати основою майбутніх досліджень. Однак наразі результати показують, що ми наближаємося до знаходження відповідей на одне з найбільш таємничих періодів в історії нашого Всесвіту.

Стаття була опублікована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.