Гарвардские космологи смоделировали раннюю Вселенную за полтора миллиарда лет после Большого взрыва
Астрофизики Гарвардского университета провели одну из самых масштабных компьютерных симуляций ранней Вселенной на суперкомпьютере Ок-Риджской национальной лаборатории. Результаты уточняют распределение вещества в эпоху до появления первых звезд.
Астрофизики из Гарвардского университета опубликовали результаты одной из самых масштабных компьютерных симуляций процесса возникновения ранней Вселенной. Моделирование, которое позволило получить самое точное на сегодня изображение Вселенной в «младенчестве», проводилось на суперкомпьютере Ок-Риджской национальной лаборатории в США и заняло почти год чистого машинного времени.
Такие длительные и крайне дорогие вычислительные эксперименты позволяют изучать процессы, которые невозможно исследовать другими способами, например прямым наблюдением или решением уравнений. Новая работа уточнила, как именно вещество должно было распределяться в ранней Вселенной и как искать свет самых первых звезд. Одна из иллюстраций, опубликованных вместе с исследованием, показывает карту ионизации гелия, а не водорода, на момент примерно полтора миллиарда лет после Большого взрыва.
Понимание ранней Вселенной опирается на наблюдения, начатые в конце 1920-х годов. В 1929 году Эдвин Хаббл, наблюдая далекие галактики, подтвердил более ранние предположения о расширении Вселенной. Его выводы, как и работы Жоржа Леметра, показали, что чем дальше находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется, причем зависимость одинакова во всех направлениях. Отсюда следовало, что расширяется сама Вселенная, а не только Солнечная система движется относительно других объектов. Ранние теоретические работы российского математика Александра Фридмана привели к выводу, что в начале существования Вселенная была чрезвычайно плотной и горячей, настолько горячей, что в ней не было даже отдельных атомных ядер.
По современным представлениям, сразу после начала расширения, примерно до 10⁻³²-й доли секунды, Вселенная проходила стадию ускоренного расширения. Ее описывает теория инфляции, сформулированная Аланом Гутом, Андреем Линде, Алексеем Старобинским и другими исследователями. Теория тщательно разработана математически и допускает способы проверки, однако наблюдений, однозначно подтверждающих ее, пока нет.
Примерно через микросекунду Вселенная охладилась настолько, что в ней появились элементарные частицы, прежде всего протоны. Около 380 тысяч лет спустя начался период рекомбинации: протоны и нейтроны соединились с электронами, возникли водород и гелий с небольшой примесью лития. Именно в это время Вселенная стала прозрачной для света. Излучение того периода, так называемое реликтовое, сместилось в микроволновый диапазон; его открытие стало одной из важнейших вех космологии второй половины XX века.
Следующий этап называют темными веками. Пространство было заполнено холодным газом, а источников света не было. Свет возвращается, когда газовые облака под действием собственной гравитации сжимаются в протозвезды и в них начинаются первые ядерные реакции. Этот процесс называют реионизацией. Именно эта эпоха наиболее трудна для наблюдений, поэтому выводы о ней в основном строятся на логических связях между реликтовым излучением и состоянием Вселенной после появления первых звезд и галактик.
Симуляция гарвардских ученых как раз помогает заполнить этот пробел. По данным исследователей, результаты позволяют точнее представить распределение материи в ранней Вселенной и задать ориентиры для поиска света первых звезд будущими наблюдательными проектами.
8
