В начале 2000-х годов японский суперкомпьютер Earth Simulator, один из мощнейших в мире, взялся за задачу космического масштаба — воссоздать рост Вселенной за последние 13 миллиардов лет. Результаты этого моделирования, опубликованные Physics Web, не просто подтвердили известные теории, а заставили астрофизиков пересмотреть химическую историю космоса.

Пузыри, ставшие галактиками

В основе симуляции лежала гидродинамическая программа, которую обычно используют для расчёта поведения жидкостей, газов или плазмы. Но для космических масштабов её пришлось дополнить модулями, учитывающими ядерные реакции внутри звёзд. Такой подход позволил проследить, как из первичных газовых «пузырей», заполнявших Вселенную спустя 300 миллионов лет после Большого Взрыва, постепенно рождались галактики и их скопления.

Это был шаг вперёд по сравнению с предыдущими численными экспериментами — например, знаменитым Millennium Run, где учитывались только гравитационные взаимодействия. Earth Simulator же добавил в картину химию и термодинамику, сделав модель гораздо ближе к реальности.

Тёмная энергия, тёмная материя и щепотка вещества

Исходные параметры для моделирования учёные взяли из данных, полученных зондом WMAP в 2003 году. Согласно этим измерениям, Вселенная состоит на 74% из загадочной тёмной энергии, на 22% — из не менее таинственной тёмной материи, и лишь 4% приходятся на обычное вещество — то, из которого сделаны звёзды, планеты и мы с вами. Кроме того, у астрофизиков была возможность сверить результаты симуляции с прямыми наблюдениями самых старых галактик — тех, в спектре которых присутствует так называемая альфа-линия Лаймана.

Химия, которая не ждала

И вот тут модель преподнесла сюрприз. Раньше считалось, что тяжёлые элементы — всё, что сложнее водорода и гелия, — накапливались во Вселенной постепенно, в течение примерно 10 миллиардов лет. Звёзды первого поколения, состоявшие почти целиком из водорода и гелия, медленно «выгорали», производя в своих недрах углерод, кислород, железо и другие элементы, и рассеивали их при взрывах сверхновых. Этот процесс представлялся долгим и плавным.

Однако Earth Simulator показал иную картину. Оказалось, что уже спустя миллиард лет после Большого Взрыва химические элементы присутствовали во Вселенной в той же пропорции, что и сегодня. Иными словами, химический состав космоса установился намного быстрее, чем предполагалось. Гипотеза о медленном, постепенном обогащении вещества тяжёлыми атомами не подтвердилась.

«Химическую историю» Вселенной, по словам исследователей, придётся переписать. Это не просто уточнение деталей — это меняет представление о том, как быстро в молодой Вселенной зажглись и отгорели первые звёзды, и как интенсивно шло звёздообразование в ту эпоху. Кстати, мы уже рассказывали о находках, которые косвенно подтверждают бурную жизнь ранней Вселенной: например, десять галактик из младенчества Вселенной нашли через линзу, чей свет шёл до нас 13 миллиардов лет, а галактика возникла, когда Вселенной было 4% объёма — объект UDFj-39546284 из эпохи, когда космосу было всего 480 миллионов лет.

Что это значит

Результаты моделирования на Earth Simulator заставляют задуматься: если химический состав установился так рано, то процессы нуклеосинтеза в первых звёздах шли с неожиданной эффективностью. Возможно, первые светила были гораздо массивнее и жили короче, чем предполагалось, быстро насыщая пространство тяжёлыми элементами. Или же механизмы перемешивания вещества в ранней Вселенной работали иначе. Так или иначе, перед астрофизиками встаёт задача объяснить этот стремительный химический рывок.

Симуляция на Earth Simulator стала важным напоминанием: даже в хорошо изученной, казалось бы, области космологии компьютерные модели способны вскрыть неожиданные противоречия. И когда речь заходит о первых миллиардах лет существования Вселенной, наши прежние теории часто оказываются лишь бледным эскизом реальной картины.