Найреалістичнішу картину формування та еволюції галактик з початку Всесвіту розкрито в серії нових та унікальних аудіовізуальних комп’ютерних моделей чи симуляцій. Ці моделі, статті з описом результатів моделювання взяв до публікації журнал Monthly Notices of the Royal Astronomical Society («Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства»), показують: стандартна космологічна модель може успішно пояснити спостережуване зростання галактик від першого мільярда років після Великого Вибуху до наших днів, якщо врахувати головні фізичні дані.
На відміну від попередніх симуляцій, «віртуальні всесвіти» COLIBRE моделюють холодний газ і космічний пил всередині галактик — речовину, з якої формуються зорі. Вона також сильно впливає на те, який вигляд мають галактики в телескопи.
Додавши до моделей цих раніше відсутніх інгредієнтів та використавши набагато більшу обчислювальну потужність, ніж будь-коли раніше, науковці отримали симуляції, котрі успішно відтворюють реальні галактики як у сучасному, так і в ранньому Всесвіті, як їх бачить космічний телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST).
«Значна частина газу всередині реальних галактик холодна та запилена, але більшість попередніх великих симуляцій ігнорували це», — сказав керівник проєкту, професор Джооп Шайє (Joop Schaye) з Лейденського університету. «Завдяки COLIBRE ми нарешті враховуємо ці важливі компоненти»
Результати показують, що стандартна космологічна модель Всесвіту може пояснити формування галактик точніше, ніж досі вважали науковці, а також відкриває нові сильні способи порівняння теорії зі спостереженнями та дослідження віртуального Всесвіту за допомогою візуальних елементів, звуку та інтерактивних інструментів.
Цифрові холодні газові та пилові зерна
За словами міжнародної групи дослідників, їхні симуляції COLIBRE відкривають нові горизонти в кількох аспектах. Попередні симуляції штучно запобігали охолодженню газу всередині галактик нижче приблизно 5 500 градусів за Цельсієм — гарячішого за поверхню Сонця — бо моделювання холоднішого газу було занадто складним. Однак спостереження показують, що зорі утворюються в холодному газі. COLIBRE враховує додаткові фізичні та хімічні процеси, потрібні для прямого моделювання холодного міжзоряного газу.
COLIBRE також моделює дрібні пилові частинки, які можуть суттєво впливати на галактичний газ. Ці тверді частинки можуть сприяти формуванню молекул водню, які домінують у складі холодного газу галактик. Пил також захищає газ від жорсткого ультрафіолетового випромінювання та сильно впливає на те, який вигляд мають галактики в телескоп. Пил поглинає ультрафіолетове та оптичне світло від зір і перевипромінює його в інфрачервоному діапазоні, що є особливістю багатьох астрономічних спостережень. Моделюючи пил прямо, COLIBRE відкриває нові способи порівняння симуляцій з реальними спостережними даними.
Завдяки досягненням в алгоритмах та суперкомп’ютерах, COLIBRE використовує до 20 разів більше елементів роздільної здатності, ніж попередні симуляції. Це дає змогу моделювати більші обсяги космічного простору з більшою деталізацією та кращою статистикою.
Вигляд збоку (зверху) та з ребра (знизу) дискової галактики типу az = 0 з масою M∗ = 8 × 1010 M⊙ та SFR = 2,7 M⊙ yr−1 у симуляції L025m5. Авторські права на зображення: arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2508.21126. Фото з сайту https://phys.org.
Нова лабораторія
Дослідники кажуть: COLIBRE показує, що реалістичне трактування холодного газу, пилу та потоків, спричинених зорями та чорними дірами, має вирішальне значення для розуміння еволюції галактик. Він забезпечує потужну нову лабораторію для перевірки теорій, інтерпретації спостережень та створення «віртуальних спостережень», щоб перевірити, як астрономи аналізують реальні дані.
Результати також показують, що стандартна космологічна модель є узгодженою зі спостереженнями за еволюцією галактик, зокрема й деякими тим, які науковці вважали складними, такі як маси галактик у ранньому Всесвіті.
«Було враження, що деякі ранні результати JWST ставлять під сумнів стандартну космологічну модель», — сказав доктор Євгеній Чайкін (Evgenii Chaikin) з Лейденського університету, перший автор кількох супровідних статей про симуляцію COLIBRE та співавтор основного дослідження. «COLIBRE показує, що як тільки головні фізичні процеси враховано більш реалістично, модель узгоджується з тим, що ми бачимо».
Однак, вона ще пояснює не все. Загадкові «маленькі червоні цятки», виявлені JWST, можливо, зародки надмасивних чорних дір, не передбачені COLIBRE. Ця модель заснована на припущенні, що такі зародки вже існують. Моделювання їхнього формування вимагатиме симуляцій з ще вищою роздільною здатністю та нової фізики, що вкаже шлях для майбутньої роботи.
Панель ліворуч показує так звану космічну павутину, де колір кодує прогнозовану щільність газу та зір. Дві панелі праворуч збільшують зображення двох із багатьох галактик, утворених у симуляціях. Ці зображення показують зоряне світло, затьмарене пилом, для дискової галактики, яку видно спереду (угорі праворуч), та іншої дискової галактики, яку видно з ребра (внизу праворуч). Авторські права на зображення: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2026). DOI: 10.1093/mnras/stag375. Фото з сайту https://phys.org.
Симуляції створювали з використанням коду моделювання SWIFT на суперкомп’ютері COSMA8 в Інституті обчислювальної космології Даремського університету. Найбільше моделювання вимагало 72 мільйонів годин роботи процесора, а розробка повної моделі міжнародною групою науковців, до якої входили дослідники з Європи, Австралії та Сполучених Штатів, зайняла майже 10 років.
Карлос Френк (Carlos Frenk), професор фундаментальної фізики Огдена в Інституті обчислювальної космології Даремського університету та один з основних членів «команди» COLIBRE, сказав: «Це захопливо бачити, як з нашого комп’ютера виходять “галактики”, які не відрізнити від реальних і мають багато властивостей, які астрономи вимірюють у реальних спостереженнях, таких як їхня кількість, світність, кольори та розміри».
«Мені подобається дражнити своїх колег-спостерігачів, запитуючи: «Як ви гадаєте, з якого каталогу галактик походять ці зображення?»
Він додав: «Найдивовижніше те, що ми здатні створити цей синтетичний Всесвіт, тільки розв’язуючи відповідні рівняння фізики у Всесвіті, що розширюється».
Вчені зазначають, що для аналізу вже отриманих даних знадобляться роки. Більшість симуляцій було завершено у 2025 році, хоча деякі симуляції з найвищою роздільною здатністю все ще тривають і, згідно з очікуваннями, будуть завершені восени.
Всесвіт, який можна побачити і почути
Окрім традиційних продуктів обробки даних, наукова група розробила нові способи дослідження симуляцій. Це зокрема «сонифіковані відео», де звук кодує додаткову фізичну інформацію, а також інтерактивні мапи, що дають змогу користувачам досліджувати віртуальні всесвіти.
«Ми захоплені не лише науковими відкриттями, але й створенням нових способів їх дослідження», — сказав доктор Джеймс Трейфорд (James Trayford) з Портсмутського університету, який керував розробкою моделі пилу COLIBRE та сонифікацією її візуалізацій.
«Ці інструменти можуть надати нові знання, зробити нашу галузь доступнішою та допомогти нам розвинути інтуїцію щодо того, як галактики ростуть та розвиваються».
За інф. з сайту https://phys.org
