Новое исследование, с помощью беспрецедентного набора симуляций показывает, насколько точно тусклые системы могут отражать условия ранней Вселенной

Новое исследование, с помощью беспрецедентного набора симуляций показывает, насколько точно тусклые системы ( Ультраслабые карликовые галактики — крошечные галактики-спутники, вращающиеся вокруг Млечного Пути) могут отражать условия ранней Вселенной и рассказывать нам о том, почему одни галактики росли, а другие — нет.

Они также могут показать, каким был самый ранний «климат» Вселенной — например, уровень радиации и то, как он влиял на формирование звезд и их расположение.

Карликовые галактики часто называют маленькими «родственниками» Млечного Пути. Они формируются в небольших гало из темной материи, существование которых предсказывается стандартной космологической моделью. Самые тусклые из таких систем чрезвычайно малы и хрупки и находятся на границе наших знаний о формировании галактик и темной материи.

«В этой работе мы представили совершенно новый набор космологических симуляций, посвященных самым тусклым галактикам во Вселенной, с беспрецедентным разрешением», — сказал доцент, доктор Азаде Фаттахи из Центра Оскара Клейна (OKC) в Стокгольме, который руководил новым исследованием в рамках коллаборации LYRA совместно с Даремским университетом и Гавайским университетом. «Это самая большая выборка таких галактик, когда-либо смоделированных с таким разрешением».

«Самые маленькие галактики называются ультрамалыми карликовыми галактиками. Их масса в миллион раз меньше массы Млечного Пути или даже меньше. Из-за их небольшого размера эти галактики очень сложно моделировать и воспроизводить».

Этот новый набор симуляций представляет собой значительный шаг вперед, позволяющий получить систематическое представление о том, как формируются и эволюционируют эти галактики.

Прозаичная аналогия

"Полезная аналогия... с растениями и сельскохозяйственными культурами и тем, как их рост зависит от погодных условий," — сказал Шон Браун, который руководил исследованием, работая в Обсерватории Кека и Даремском университете. "Подобно тому, как урожайность летом может косвенно многое рассказать о весенней погоде, свойства тусклых карликовых галактик сегодня могут многое рассказать нам об условиях, или погоде, во Вселенной в гораздо более ранние времена."

Результаты исследования особенно актуальны тем, что моделирование не просто воспроизводит тусклые карликовые галактики, но и позволяет предположить, что эти локальные объекты могут служить индикатором самого раннего «климата» Вселенной. Команда исследователей изучала, как различные предположения о ранней радиационной среде влияют на то, в каких небольших гало тёмной материи вообще могут сформироваться звёзды.

«В статье мы рассмотрели два разных предположения о свойствах ранней Вселенной, когда ей было менее 500 миллионов лет, чтобы понять, как это повлияло на свойства этих маленьких галактик сегодня, когда Вселенной уже 13 миллиардов лет», — пояснил Браун.

«Мы обнаружили, что эти маленькие сверхслабые галактики очень чувствительны к таким изменениям, в то время как более массивные галактики, такие как наш Млечный Путь, не так сильно на них реагируют, — добавил он. — Для самых маленьких галактик исходные условия могут определять, станут ли они видимыми галактиками или останутся беззвездными гало из темной материи».

Будущие исследования

Такая чувствительность открывает прямой путь к проверке физических законов ранней Вселенной с помощью будущих наблюдений.

«Приятно осознавать, что в ближайшем будущем у нас появятся данные с обсерватории Веры Рубин, которые позволят обнаружить еще много таких ультрамалых карликов вокруг Млечного Пути», — сказал доктор Фаттахи.

Многие астрономы надеются, что «Рубин» сможет провести почти полную перепись галактик-спутников Млечного Пути. Моделирование показывает, что эта перепись может дать информацию не только о ближайших к нам галактиках.

«Наша работа показывает, что предстоящие наблюдения за очень локальными участками Вселенной позволят нам составить представление о том, как выглядела Вселенная в момент своего зарождения. Сейчас мы не можем получить такую информацию напрямую с помощью других наблюдений», — добавил доктор Фаттахи.

Этот результат особенно важен в свете недавних открытий, сделанных космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST), — галактик в ранней Вселенной, некоторые из которых оказались неожиданно массивными и яркими.

По словам доктора Фаттахи, если ранняя Вселенная преподносит сюрпризы на больших расстояниях, то локальные реликвии той же эпохи — ультрамалые карлики — могут стать дополнительным источником информации о том, что происходило в те времена.

Однако при проведении подобных исследований все еще возникают серьезные практические трудности, которые необходимо преодолеть.

«Проведение такого моделирования — сложная задача, требующая больших затрат времени и вычислительных ресурсов. В общей сложности на моделирование ушло более шести месяцев, — добавил доктор Фаттахи. — Кроме того, моделирование генерирует очень большие объемы данных (в общей сложности около 300 терабайт). Это означало, что многие старые алгоритмы, разработанные для работы с меньшими объемами данных, нуждались в обновлении и доработке для эффективной обработки новых больших объемов данных».

Большая часть работы была проделана на суперкомпьютере COSMA 8, предназначенном для исследований на основе моделирования. COSMA 8 находится в Институте вычислительной космологии Даремского университета и используется в рамках британского центра высокопроизводительных вычислений DiRAC.

В перспективе команда доктора Фаттахи планирует использовать новый комплекс для поиска ответов на вопросы, которые до сих пор остаются открытыми в области формирования современных галактик и структур, например: где можно найти самое первое поколение звезд, сформировавшихся во Вселенной? Или что свойства ультраслабых карликовых галактик говорят нам о природе темной материи?

На изображении:

Карта темной материи в нашей части Вселенной. Два больших скопления — это гало темной материи Млечного Пути и галактики Андромеды; (B) увеличенный фрагмент карты темной материи, на котором видно небольшое скопление темной материи, возникшее примерно через 700 миллионов лет после Большого взрыва; (C-1 и C-2) звезды и газ в смоделированной ультраслабой карликовой галактике, сформировавшейся в центре небольшого гало темной материи на панели B. На двух панелях показаны два разных уровня излучения вскоре после Большого взрыва. На снимках видно, как сверхмалая карликовая галактика меняет свои свойства в зависимости от используемого излучения. Масштаб на каждом изображении указан в световых годах.

Фото: Дж. Суреда/А. Фаттахи/С. Браун/С. Авраам