Мощни обсерватории като космическия телескоп „Джеймс Уеб“ на НАСА позволяват на учените да надникнат към галактики, образували се, когато Вселената е била още млада. Новите суперкомпютърни симулации обаче помагат да бъдат запълнени празнините в познанията за загадъчните ранни етапи от историята на Космоса.

Международен екип от изследователи е разработил един от най-подробните досега модели на ранната Вселена, става ясно от ново проучване, публикувано в научното списание Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Новата симулация, наречена Lumina, пресъздава как първите звезди и черни дупки са предизвикали рейонизацията – ключов, но все още недостатъчно изяснен етап, който коренно променя Вселената.

След Големия взрив ултравиолетовото излъчване от тези ранни космически обекти започва да отделя електрони от атомите на водорода – най-разпространения елемент в Космоса. Този процес позволява на светлината да изминава по-големи разстояния и променя условията, при които се формират галактиките.

Ранната Вселена се превръща във все по-важна област на изследване за астрономите, които се стремят да разберат как Космосът е придобил днешния си облик. Тъй като светлината се нуждае от време, за да премине през пространството, мощните телескопи улавят изображения на далечни галактики такива, каквито са изглеждали преди милиарди години.

Изучаването на толкова продължителен период от космическата история обаче изисква компютърни модели със също толкова внушителен мащаб. Именно тук се открояват възможностите на симулации като Lumina, пише CNN. 

Астрономи откриха кандидат за „тъмна галактика“, в която почти няма звезди

Едно от най-големите предимства на новия модел е огромният му обхват, който включва над 100 пъти по-голям обем пространство в сравнение с предишни симулации, обяснява водещият автор на изследването Оливер Цир, постдокторант в Института за теория и изчисления към Центъра по астрофизика „Харвард – Смитсониън“ в Кеймбридж, Масачузетс.

„Разполагаме с космологичен обем, в който можем да наблюдаваме космическата мрежа и начина, по който галактиките се групират. Същевременно успяваме да разграничим и отделните галактики“, посочва Цир, визирайки способността на симулацията да обхваща както огромните мащаби на пространството, така и неговите сложни детайли.

Моделът може да се използва и за проверка на научни хипотези за развитието на Вселената. Изследователите имат възможност да сравняват пресъздадените в Lumina процеси с наблюденията на телескопи като „Джеймс Уеб“. Ако резултатите съвпадат, това би засилило увереността им в съществуващите теории.

„Но всъщност е още по-интересно, когато не съвпадат, защото това означава, че в модела ни липсва нещо, което може да ни насочи към все още неизвестни физични процеси“, коментира Цир.

Подобни несъответствия биха могли да предоставят ценни насоки за аспекти от устройството на Вселената, които науката все още не разбира напълно.

Най-мащабната симулация от този вид

Lumina обхваща област от Космоса с размери приблизително 1,5 милиарда светлинни години във всяко от трите пространствени измерения. За сравнение, според НАСА диаметърът на Млечния път е около 100 000 светлинни години.

Създаването на мащабния модел е отнело близо три години. За целта учените са използвали над 15 000 графични процесора на Frontier – суперкомпютър, разположен в Националната лаборатория „Оук Ридж“ в американския щат Тенеси, който осигурява необходимата изчислителна мощност.

Lumina все още не е напълно достъпна за обществеността, но публикуваните видеоматериали от симулацията показват необятността на Космоса. Визуализациите приближават отделни галактики, след което постепенно разширяват перспективата, разкривайки колко малки изглеждат те в сравнение с останалите структури във Вселената.

Търсенето на планета като Земята отбеляза мащабна крачка напред след ново астрономическо откритие

Земята може да ни се струва огромна, но тя е само една от многото планети в Млечния път, който от своя страна представлява една от безбройните галактики в Космоса, отбелязва Цир.

„Въпреки че Lumina е изключително мащабна, тя все пак обхваща само много малка част от Вселената“, допълва изследователят.

За първи път подобна симулация позволява на учените да проследят в рамките на един модел как промените във водорода и хелия – втория най-разпространен елемент в Космоса – са преобразили ранната Вселена.

„Lumina е наистина впечатляващо техническо постижение“, коментира пред CNN Джулиан Муньос, асистент-професор по астрономия в Тексаския университет в Остин, който не е участвал в изследването.

„Симулациите на формирането на първите галактики и йонизацията на ранната Вселена изискват огромни изчислителни ресурси. Затова обикновено обхващат сравнително малки области от Космоса и ограничени периоди от време. Lumina не само е по-мащабна, но и проследява по-продължителен период от космическата история в сравнение с предишните подробни модели от този тип“, обяснява Муньос. 

Развитието на ранната Вселена не е протичало равномерно. Някои области са се променяли по-бързо от други, а огромният обхват на Lumina позволява на изследователите да проследят тези различия във времето.

Според Муньос симулацията би могла също да помогне за изучаването на различните начини, по които обикновената и тъмната материя са се движили в пространството.

Компютърните модели, пресъздаващи образуването на първите галактики, често се съсредоточават върху взаимодействията между три основни компонента на Космоса: обикновената материя, от която са изградени звездите, планетите и хората; тъмната материя – невидима субстанция, която представлява по-голямата част от материята във Вселената; и излъчването.

Учени създадоха най-малкия Голям взрив в историята, за да изследват началото на Вселената

За разлика от тъмната материя, обикновената взаимодейства със светлината, което води до различия в скоростите, с които двата вида материя се движат. В ранните етапи от развитието на Вселената тези разлики са оставили характерни космически структури, простиращи се на милиони светлинни години.

Макар подобни структури да не могат да бъдат наблюдавани пряко с телескопи, техните особености могат да бъдат картографирани чрез симулации като Lumina. Това дава възможност на учените да изследват как движението и взаимодействието на материята са повлияли върху формирането на ранния Космос, уточнява Муньос.

Новият модел може да подпомогне и изучаването на редки галактики, които биха останали извън обхвата на по-малките симулации, смята Илиян Илиев, професор по астрофизика в британския Университет на Съсекс, който също не е участвал в проучването.

Илиев изразява надежда, че съчетаването на Lumina с новите телескопични наблюдения ще позволи на учените да изградят по-пълна и точна картина за историята и развитието на Вселената.