Takhle vypadal gigantický výbuch, který zrodil překrásné galaxie

Chtěli zjistit, jak vypadal vesmír v době, kdy se teprve formovaly jeho první galaxie a světlo začínalo proměňovat obrovské oblasti kosmického prostoru.

Odpovědi pomáhá hledat Lumina, mimořádně rozsáhlá počítačová simulace, která propojuje fyzikální teorie s objevy nejmodernějších vesmírných dalekohledů. Vědcům umožňuje nahlédnout do prvních dvou miliard let kosmické historie s dosud nevídaným rozsahem a podrobnostmi.

Představte si vesmír, ve kterém se ještě nevyvinuly galaxie do dnešní podoby, plyn vyplňuje obrovské prostory mezi rodícími se hvězdnými soustavami a neviditelná temná hmota určuje, kde se začne shlukovat běžná hmota. Právě takový kosmos se nyní astronomové snaží rekonstruovat pomocí výkonných superpočítačů.

Významný krok tímto směrem představuje simulace nazvaná Lumina, kterou vytvořil mezinárodní vědecký tým spojený s Centrem pro astrofyziku na Harvardu a Smithsonově institutu.

Model zachycuje vzájemné působení plynu, temné hmoty a záření v raném vesmíru. Pomáhá vysvětlovat, jak se z původně odlišných kosmických struktur postupně utvářel vesmír, který pozorujeme dnes.

Výsledky výzkumu byly publikované v odborném časopise Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Astronomové dnes díky Vesmírnému dalekohledu Jamese Webba získávají stále podrobnější pohled na velmi vzdálené galaxie. Jejich světlo k nám putovalo miliardy let, takže pozorováním těchto objektů vědci nahlížejí také do dávné minulosti vesmíru.

Se světlem však přicházejí i otázky: Jak rychle se první galaxie formovaly? Jak ovlivňovaly své okolí? a Odpovídají jejich vlastnosti dosavadním představám o vývoji kosmu? Samotné pozorování nemusí na všechny tyto otázky stačit.

Dalekohledy zachycují světlo a další měřitelné projevy vzdálených objektů, zatímco počítačové simulace umožňují zkoumat fyzikální procesy, které vedly k jejich vzniku.

Lumina proto není jen digitálním obrazem vesmíru. Je to rozsáhlý fyzikální model, který propojuje gravitační působení temné hmoty, pohyb plynu, vznik hvězd a galaxií i účinky záření. Vědci díky němu mohou sledovat, jak se jednotlivé procesy navzájem ovlivňovaly během prvních dvou miliard let kosmické historie.

„Abychom pochopili, co s dalekohledem Jamese Webba pozorujeme, musíme naše teorie převést do podrobných předpovědí,“ vysvětluje hlavní autor studie Oliver Zier z Centra pro astrofyziku na Harvardu a Smithsonově institutu.

Právě porovnání těchto předpovědí se skutečnými pozorováními může ukázat, zda dosavadní vědecké modely obstojí, nebo zda bude nutné některé jejich části přehodnotit.

Jedním z nejzajímavějších aspektů simulace je způsob, jakým zachycuje rozsáhlou strukturu vesmíru. Galaxie totiž nejsou rozptýleny náhodně. Ve velkých měřítcích vytvářejí síť vláken, uzlů a rozsáhlých prázdnějších oblastí. Této struktuře se říká kosmická síť.

Její podobu významně ovlivňuje temná hmota. Tu astronomové nemohou pozorovat přímo prostřednictvím vyzařovaného světla, její přítomnost však odvozují z gravitačních účinků na běžnou hmotu a světlo. Temná hmota vytváří gravitační prostředí, v němž se může shlukovat plyn a vznikat galaxie.

Lumina modeluje tyto vztahy v mimořádně velkém objemu prostoru a současně zachovává dostatečné rozlišení pro studium jednotlivých galaxií a dalších světelných objektů. Díky tomu mohou vědci sledovat nejen vznik kosmických struktur, ale také to, jak jejich vývoj ovlivňuje okolní prostředí.

Simulace pokrývá oblast odpovídající krychli o délce hrany přibližně 1,5 miliardy světelných let. Takové měřítko umožňuje spojovat děje na úrovni jednotlivých galaxií s procesy, které probíhají napříč rozsáhlými částmi vesmíru.

Podstatné přitom není pouze množství prostoru, které model zahrnuje. Lumina podle autorů pokrývá více než stonásobný objem oproti předchozím srovnatelným simulacím tohoto typu, aniž by se vzdávala detailů potřebných ke zkoumání vzniku galaxií.

Zvláštní pozornost vědci věnují také procesu zvanému reionizace helia. Jde o proměnu, při níž energetické záření odtrhává elektrony od atomů helia. Tento proces souvisí s vývojem záření v kosmu a s tím, jak první generace hvězd a další energetické zdroje ovlivňovaly prostředí mezi galaxiemi.

Pro pochopení raného vesmíru je důležité vědět nejen to, kde se nacházely první galaxie, ale také jak jejich záření měnilo okolní plyn. Kosmické prostředí totiž nebylo pouhým pasivním pozadím. Záření a hmota se vzájemně ovlivňovaly a tyto interakce měly vliv na další vývoj galaxií i mezihvězdného a mezigalaktického prostředí.

Lumina jako první simulace tohoto rozsahu zachycuje reionizaci helia v průběhu jejího vývoje a umožňuje, aby se její účinky bezprostředně promítaly do dalších fází modelované historie vesmíru.

Podle spoluautora studie Aarona Smithe z Texaské univerzity v Dallasu tak mohou vědci sledovat, jak se vodík a helium v obrovském objemu prostoru proměňovaly do podob, které známe z dnešního vesmíru, a zároveň rozlišovat galaxie a další světelné objekty, jež tyto změny poháněly.

Za vytvořením Luminy nestojí pouze propracovaná fyzika, ale také výpočetní výkon, který by ještě před několika desetiletími působil jako science fiction.

Simulace využila více než 15 000 grafických procesorů pracujících na superpočítači Frontier v Národní laboratoři Oak Ridge v americkém Tennessee. Tento systém patří mezi nejvýkonnější superpočítače světa a umožňuje provádět obrovské množství výpočtů souběžně.

Každý krok simulace musí zohledňovat složité vztahy mezi gravitací, pohybem plynu, zářením a vznikem kosmických objektů. Všechny tyto procesy navíc probíhají na různých prostorových měřítkách. Model proto musí současně zachytit rozsáhlou kosmickou strukturu i dostatečné detaily jednotlivých galaxií.

Právě spojení velkého objemu a vysokého rozlišení představuje jeden z hlavních přínosů Luminy. Vědci díky němu mohou zkoumat, jak děje na úrovni galaxií souvisejí s proměnami celého kosmického prostředí.

Co když se vesmír nechová podle našich představ?

Skutečný význam simulace se ukáže při porovnávání jejích výsledků s daty z astronomických pozorování. Vědci mohou například zkoumat, zda model předpovídá vlastnosti raných galaxií podobné těm, které zaznamenal dalekohled Jamese Webba. V budoucnu bude důležitým zdrojem dat také Vesmírný dalekohled Nancy Grace Romanové, jehož širokoúhlá pozorování mají pomoci mapovat rozsáhlé oblasti vesmíru.

Pokud se výsledky simulace a pozorování shodují, podporuje to použité fyzikální předpoklady. Jestliže se naopak objeví významné rozdíly, může to ukázat na chybějící proces, nepřesný předpoklad nebo dosud nepochopenou vlastnost raných galaxií.

To ovšem neznamená, že každá odchylka automaticky vyvrací současné teorie. Rozdíly mohou vznikat také kvůli omezením pozorování nebo samotného modelu. Právě proto jsou rozsáhlé simulace užitečné: umožňují vědcům testovat různé možnosti a přesněji určit, kde se jejich znalosti setkávají s hranicemi.

Tým plánuje využívat Luminu k dalšímu zkoumání pohybu plynů mezi galaxiemi, vlivu záření na kosmický vývoj i proměn oblastí, v nichž intenzivně vznikají nové hvězdy.

Lumina nepřináší definitivní odpovědi na všechny otázky o vzniku vesmíru. Nabízí však něco mimořádně cenného: možnost porovnávat pozorovaný kosmos s podrobným modelem, který propojuje obrovské prostorové měřítko s fyzikálními procesy probíhajícími uvnitř galaxií a v jejich okolí.

Moderní astronomie tak stále více spojuje dvě cesty k poznání. Jednou je přímé pozorování světla, které k nám putovalo miliardy let. Druhou jsou výpočty, jež pomáhají rekonstruovat příběh, který se za tímto světlem skrývá.

Až budou astronomové zkoumat další vzdálené galaxie, Lumina jim může pomoci určit, zda jejich vlastnosti odpovídají dosavadním představám o kosmické historii. Případné nesrovnalosti přitom nemusí znamenat neúspěch. Mohou být naopak prvním náznakem, že vesmír má stále co odhalovat.

Zdroj: EurekAlert