Астрономы создали детальную компьютерную модель ранней Вселенной, которая позволяет сопоставить первые галактики с химическими следами, сохранившимися в древнейших звёздах возле Млечного Пути. Симуляция MEGATRON прослеживает путь от почти первозданного газа до звёзд и галактик, насыщенных элементами, появившимися после первых звёздных взрывов.
Первые звёзды появились из газа, в котором почти не было ничего тяжелее водорода и гелия. В их недрах постепенно рождались новые элементы, а взрывы сверхновых выбрасывали получившееся вещество в космос. Из обогащённого газа возникали следующие поколения светил. Именно поэтому очень старые звёзды до сих пор хранят химическую летопись далёкой эпохи.
MEGATRON воспроизводит этот процесс шаг за шагом. Исследователи рассчитывают движение и нагрев газа, распространение звёздного света, рождение светил и изменение химического состава вещества. Модель начинает расчёт с области молодой Вселенной и прослеживает её развитие до системы, масса которой позднее становится сопоставимой с массой Млечного Пути.
Главная проблема для астрономов проста: космический телескоп Джеймс Уэбб видит очень далёкие молодые галактики, но разглядеть отдельные звёзды третьего поколения, возникшие первыми во Вселенной, пока не может. Зато учёные способны изучать древние светила гораздо ближе к нам. Их химический состав помогает восстановить, какие звёзды жили и взрывались миллиарды лет назад.
Симуляция даёт возможность проверять обе картины одновременно. Астрономы могут сравнивать галактики ранней Вселенной, которые наблюдает Джеймс Уэбб, с количеством железа и других элементов в старых звёздах неподалёку от Млечного Пути. Чем точнее модель воспроизводит оба набора наблюдений, тем надёжнее учёные могут судить о первых поколениях светил.
Один из расчётов MEGATRON уже дал конкретное предсказание для маленьких карликовых галактик. Модель воспроизвела характерный уровень содержания железа в системах с небольшой звёздной массой. Авторы объясняют результат взрывами чрезвычайно массивных звёзд первого поколения. При парной нестабильности звезда взрывается целиком и разбрасывает большое количество тяжёлых элементов.
О химическом прошлом звезды астрономам рассказывает металличность — доля элементов тяжелее водорода и гелия. По расчётам MEGATRON, около 20% маломассивных карликовых галактик должны содержать особенно мало железа. Наблюдения за такими объектами помогут проверить, насколько верно модель описывает самые ранние этапы звёздообразования.
Расчёты также показали, что упрощённые модели могут недооценивать, насколько сильно звёздное излучение и химические реакции меняют газ вокруг молодых галактик. Более подробное моделирование позволяет различать мелкие структуры газа, которые исчезают при грубом разрешении, и точнее предсказывать будущие наблюдения.
Авторы уже готовят следующее поколение MEGATRON. Проекту выделили 40 млн процессорных часов на суперкомпьютерах. Дополнительная вычислительная мощность позволит повысить разрешение и подробнее проследить, как первые звёзды меняли вещество, из которого спустя миллиарды лет сформировались современные галактики.
