Млечный Путь когда-то был роем из тысяч малых галактик

Три года расчётов на суперкомпьютерах привели астрофизиков к необычному образу: в первые два миллиарда лет после Большого взрыва на месте нашей Галактики роились тысячи мелких галактик самых разных форм и размеров. Постепенно они сталкивались и сливались, пока не получился спиральный диск, в котором мы живём. По словам авторов, это самая подробная на сегодня цифровая реконструкция того, как рождалась такая галактика, как наша.

Фото: NASA/JPL-Caltech/ESA/CXC/STScI, общественное достояние (public domain), NASA Image and Video Library, снимок PIA12348, https://images.nasa.gov/details/PIA12348. На снимке: реальный центр Млечного Пути, составное изображение в ложных цветах по данным телескопов «Хаббл», «Спитцер» и «Чандра», а не результат симуляции «Мегатрон»

Что показала симуляция «Мегатрон»

Проект называется «Мегатрон». Среди его участников Харли Кац из Чикагского университета и Мартин Рей из Университета Бата. Модель стартует через 180 миллионов лет после Большого взрыва, когда во Вселенной ещё нет ни звёзд, ни галактик, а есть только первичный газ без тяжёлых элементов. Затем она прослеживает развитие газа, света звёзд и химии вплоть до отметки в 2 миллиарда лет.

Расчёты оказались колоссальными: итогом стали три года работы суперкомпьютеров. В технической статье проекта сообщается, что симуляции прослеживают галактики массой с Млечный Путь от рождения первых звёзд, а мелкие гало разрешаются с точностью до парсеков. Модель учитывает неравновесную химию первичного газа, металлов и молекул, а также перенос излучения на разных частотах, поэтому может сама предсказывать спектры ранних галактик. Авторы собрали библиотеку из более чем 175 тысяч таких модельных спектров.

Глядя на эти результаты, совершенно ясно, что физика, происходящая сразу после Большого взрыва, напрямую влияет на то, что мы видим в локальной Вселенной сегодня.

Так прокомментировал итоги Харли Кац, доцент астрономии и астрофизики Чикагского университета и один из авторов работы. Результаты показывают, что на месте будущего Млечного Пути было не одно, а множество небольших галактик, которые позже слились.

Зачем модели, если есть «Уэбб»

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) заглядывает в раннюю Вселенную дальше любого предшественника, и его открытия не раз противоречили расчётам. Он обнаружил на удивление яркие ранние галактики и загадочный класс компактных объектов, прозванных «маленькими красными точками». Эти аномалии показали, что существующие компьютерные модели нужно обновлять, потому что они плохо описывают сложную физику молодой Вселенной.

«Мегатрон» устроен так, чтобы закрыть этот разрыв. Модель рассчитывает световые «отпечатки» своих виртуальных галактик на тех же длинах волн и на том же отрезке космического времени, на каком наблюдает «Уэбб». Поэтому учёные могут прямо сравнить симуляцию с настоящими данными и найти, чего не хватало старым моделям. Результаты команда проекта опубликовала в серии из шести статей в «Открытом журнале астрофизики» 30 сентября.

Авторы подчёркивают и ограничения: в моделях пока нет активных чёрных дыр, а описание звёздного населения и выхода химических элементов упрощено.

Первые звёзды и химические отпечатки

Симуляция отслеживает, как рождались, умирали и ковали элементы первые звёзды Вселенной. Когда звёзды погибают, они разбрасывают углерод, кислород, железо и другие тяжёлые элементы, из которых позже строятся новые звёзды и планеты. Моделирование показывает, как первые звёзды ковали элементы, без которых невозможна жизнь в привычном нам виде. Мартин Рей из Университета Бата, соавтор работы, отмечал ценность сравнения такой модели с наблюдениями.

Эти же следы остались в самых старых звёздах в Млечном Пути и вокруг него: по сути, это химическая летопись. Модель «Мегатрон», по замыслу авторов, служит мостом между такими «окаменелостями» и прямыми наблюдениями «Уэбба». По словам Рея, совместное использование этих данных позволяет проверять конкурирующие модели первых звёзд так, как раньше было невозможно.

Среди подсистем модели есть и необычные: в некоторых нет светящихся звёзд, поскольку звёзды в них могли взорваться или коллапсировать в чёрные дыры, а могли и вовсе не родиться, и тогда там был только газ. В самых тусклых карликовых галактиках железа примерно одинаково независимо от массы, чего прежние симуляции не воспроизводили. Модель связывает это со звёздами первого поколения, которые при взрыве могут выбрасывать больше железа.

Ни одной такой звезды, сформировавшейся из первичного водорода и гелия, пока напрямую не видели. Одна из работ проекта показывает, как они образовывались бы в окружении, подобном Млечному Пути, и где искать возможных уцелевших.

Слияния, следы которых видны и сегодня

Идея, что Галактика собиралась из кусков, подтверждается наблюдениями. По оценкам, которые приводит английская Википедия, Млечный Путь начался с небольших уплотнений вскоре после Большого взрыва, около 13,61 миллиарда лет назад, а его старейшие звёзды почти ровесники Вселенной. Диаметр диска по изофоте D25 оценивается примерно в 87 тысяч световых лет, а звёзд в нём от 100 до 400 миллиардов.

Один из самых известных «поглощённых» соседей называется Гайя-Энцелад, или «Колбаса Гайи». Его слияние с Млечным Путём произошло, по оценкам, 8-11 миллиардов лет назад и добавило около 50 миллиардов масс Солнца звёзд, газа и тёмной материи. Название «колбаса» дали по форме, которую образуют его звёзды на графике скоростей по данным космической обсерватории «Гайя».

Слияния идут и сейчас. Карликовую галактику Стрельца открыли в 1994 году Родриго Ибата, Майк Ирвин и Джерри Гилмор. Она находится примерно в 80 тысячах световых лет от Земли и в 50 тысячах от центра Галактики, а её орбитальный период составляет от 550 до 750 миллионов лет. Самое недавнее из крупных слияний с ней началось более 6 миллиардов лет назад и продолжается до сих пор.

С ней связано как минимум девять известных шаровых скоплений, среди которых М54, Терзан 7 и Терзан 8. Исследование 2020 года по данным «Гайи» пришло к выводу, что столкновения с ней запускали крупные вспышки звездообразования в Млечном Пути. Кроме того, Галактика сегодня вытягивает вещество из двух крупнейших спутников, Большого и Малого Магеллановых Облаков, формируя Магелланов поток.

Чего модель пока не знает

Симуляция заканчивается через 2 миллиарда лет после Большого взрыва, а слияния Млечного Пути продолжались намного дольше. Авторы признают пробелы. Кац сказал, что есть и то, что пока не получается воспроизвести, и это тоже интересно: понять, чего ещё не хватает, значит выйти на новые вопросы.

Следующее поколение расчётов уже разрабатывает команда в Великобритании. Оно получит выделенное время на национальных суперкомпьютерах и усложнит физику, добавив, например, активные чёрные дыры, которые, как показал «Уэбб», в ранней Вселенной встречаются на удивление часто.

• Возраст: около 13,61 миллиарда лет, почти как у Вселенной.
• Ресурсы расчёта: три года работы суперкомпьютеров.
• Главный вывод: в первые 2 миллиарда лет на месте Галактики были тысячи малых галактик, позже слившихся.

Главный урок этих расчётов в том, что спокойный спиральный диск, привычный нам по ночному небу, лишь финал долгой истории. Ей предшествовали миллиарды лет хаотичных столкновений, и следы многих из них можно найти в нынешних звёздных потоках, шаровых скоплениях и химическом составе старых звёзд.