В первые эоны Вселенной все было иначе. Космос пережил быстрое раздувание; электроны и протоны свободно плавают друг от друга; Вселенная перешла от полной тьмы к свету; образовались и взорвались огромные звезды, положив начало каскаду событий, ведущих к нашей современной Вселенной.Работая с Чэленси Сафранек-Шрейдер и Фолькером Броммом из Техасского университета в Остине, Милосавлевич недавно сообщил о результатах нескольких масштабных численных расчетов сил Вселенной в первые сотни миллионов лет ее существования с использованием одних из самых мощных суперкомпьютеров в мире. включая поддерживаемые Национальным научным фондом системы Stampede, Lonestar и Ranger (ныне вышедшие на пенсию) в Техасском центре передовых вычислений.Результаты, описанные в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества в январе 2014 года, уточняют, как образовались первые галактики, и, в частности, как металлы в звездных яслях повлияли на характеристики звезд в первых галактиках.
«Вселенная сначала образовалась только из водорода и гелия», — сказал Милосавлевич. «Но тогда самые первые звезды сварили металлы, и после того, как эти звезды взорвались, металлы рассеялись в окружающем пространстве».В конце концов выброшенные металлы упали обратно в гравитационные поля ореолов темной материи, где они сформировали второе поколение звезд. Однако первое поколение металлов, выброшенных из сверхновых, не смешивалось в космосе равномерно.«Это как если бы у вас есть кофе со сливками, но вы их не перемешиваете и не ждете достаточно долго», — объяснил он. «Вы будете пить сливки и кофе, но не кофе со сливками.
Будут тонкие листы кофе и сливок».Согласно Милосавлевичу, подобные тонкие эффекты управляли эволюцией ранних галактик.
Некоторые звезды образовались, богатые металлами, в то время как другие были бедны металлами. Обычно из-за неполного перемешивания химическое содержание звезд было разбросано.
Еще одним фактором, повлиявшим на эволюцию галактик, было то, как более тяжелые элементы появились в результате взрыва. Вместо аккуратной сферической взрывной волны, которую исследователи предполагали ранее, выброс металлов из сверхновой, скорее всего, был беспорядочным процессом с осколочными пятнами, стреляющими во всех направлениях.«Правильное моделирование этих капель очень важно для понимания того, куда в конечном итоге уходят металлы», — сказал Милосавлевич.
Прогнозирование будущих наблюденийС астрономической точки зрения, начало Вселенной означает очень далеко. Эти беглые первые галактики сейчас невероятно далеки от нас, если они еще не вошли в состав более недавно образованных галактик. Но многие считают, что ранние галактики находятся на таком расстоянии, которое мы сможем наблюдать с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), запуск которого запланирован на 2018 год.
Это делает космологические симуляции Милосавлевича и его команды своевременными.«Следует ли космическому телескопу Джеймса Уэбба объединять изображение в одном месте в течение длительного времени или следует мозаику своего обзора, чтобы рассмотреть более крупную область?» — спросил Милосавлевич. «Мы хотим порекомендовать стратегии для JWST».Наземные телескопы будут проводить дальнейшие исследования явлений, обнаруженных JWST. Но для этого ученым необходимо знать, как интерпретировать наблюдения JWST, и разработать протокол для последующих действий с наземными телескопами.
Космологическое моделирование Милосавлевича и других поможет определить, куда будет смотреть космический телескоп, что он будет искать и что делать после того, как будет обнаружен данный сигнал.У далеких объектов, рожденных в определенный момент космической истории, есть контрольная подпись — спектры или кривые блеска.
Подобно изотопам в углеродном датировании, эти сигнатуры помогают астрономам распознавать и датировать явления в глубоком космосе. В отсутствие каких-либо наблюдений моделирование — лучший способ предсказать эти световые сигнатуры.
«Мы ожидаем наблюдений, пока они не станут доступными в будущем», — сказал Милосавлевич.Если все сделано правильно, такое моделирование может имитировать динамику Вселенной на протяжении миллиардов лет и давать результаты, которые выглядят примерно так, как мы видим — или надеемся увидеть с помощью новых телескопов более дальнего радиуса действия.«Это действительно захватывающее время для области космологии», — сказал астроном и лауреат Нобелевской премии Саул Перлмуттер в своем программном выступлении на конференции Supercomputing ’13 в ноябре. «Теперь мы готовы собирать, моделировать и анализировать точные данные следующего уровня … В науке о высокопроизводительных вычислениях есть еще больше, чем мы до сих пор достигли».
Понимание нашего места во ВселеннойВ дополнение к практическим целям управления космическим телескопом Джеймса Уэбба, попытка понять эти самые ранние звезды в первых галактиках имеет еще одну функцию: помочь рассказать историю о том, как возникла наша солнечная система.Текущее состояние Вселенной определяется бурной эволюцией предыдущих поколений звезд. Каждое поколение звезд (или «популяция» в астрономических терминах) имеет свои особенности, основанные на среде, в которой оно было создано.
Считается, что звезды населения III, самые ранние из образовавшихся, были массивными и газообразными, изначально состоявшими из водорода и гелия. Эти звезды в конечном итоге коллапсировали и засеяли новые звезды меньшего размера, которые сгруппировались в первые галактики. Они, в свою очередь, снова взорвались, создав условия для звезд Населения I, подобные нашей, наполненные материалами, способствующими жизни.
Как звезды и галактики эволюционировали от одной стадии к другой, все еще остается предметом споров.«Все это происходило, когда Вселенная была очень молодой, всего несколько сотен миллионов лет», — сказал Милосавлевич. «И что еще больше усложняет ситуацию, звезды, как и люди, меняются.
Каждые сто миллионов лет, каждые 10 миллионов лет — это как взросление ребенка, все время происходящее что-то новое».Моделируя Вселенную от рождения до нынешнего возраста, Милосавлевич и его команда исследования помогают понять, как галактики менялись с течением времени, и дают лучшее представление о том, что было до нас и как мы возникли.Сказал Найджел Шарп, программный директор отдела астрономических наук Национального научного фонда: «Это новые исследования с использованием методов, которые часто игнорируются другими усилиями, но имеют большое значение, поскольку они влияют на очень многое из того, что происходит в более поздних исследованиях космологии и галактик. "