For svært lenge siden fantes det en tid før galakser hadde samlet seg fra den urstoffmassen som fylte universet etter Big Bang. Hvordan denne prosessen egentlig foregikk, og hva materien besto av, har lenge vært et av astronomiens store spørsmål.
Nå mener forskere at de har kommet et steg nærmere et svar. Ved hjelp av mer kraftfulle datasimuleringer har de forsøkt å gjenskape det tidlige universets kaotiske blanding av støv, nyfødte stjerner og komplisert kjemi. Resultatene tyder på at store galakser kan ha blitt dannet svært tidlig, slik James Webb Space Telescope har antydet, uten at dagens kosmologiske standardmodell nødvendigvis må forkastes.
– Noen tidlige resultater fra James Webb Space Telescope ble tolket som en utfordring for standardmodellen, sier astronomen Evgenii Chaikin ved Leiden University. – Når viktige fysiske prosesser beskrives mer realistisk, stemmer modellen bedre med det vi observerer.
Fra varm «suppe» til stjerner
I tiden etter Big Bang var universet preget av ekstremt varme og tette forhold. Over noen hundre millioner år kjølte materien seg gradvis ned og kondenserte, til den til slutt kunne danne de første stjernene og galaksene. Denne overgangen er avgjørende for å forstå hvordan universet utviklet seg til det vi ser i dag.
Problemet er at denne epoken er vanskelig å observere direkte. Derfor må forskere lene seg tungt på simuleringer for å undersøke hvilke prosesser som kan ha vært i spill. Slike simuleringer krever enorme mengder regnekraft, og for å gjøre dem gjennomførbare har man ofte brukt forenklede beskrivelser av fysikken.
Mer realistisk fysikk i COLIBRE
Det er her COLIBRE-prosjektet kommer inn. Dette er et kosmologisk simuleringsprosjekt som forsøker å tette noen av hullene ved å ta med mer detaljerte modeller for gass og støv, samt kraftige utstrømninger drevet av stjerner og sorte hull. Målet er å få et mer presist bilde av hvordan galakser vokste fram i universets tidligste fase.
– Mye av gassen inne i virkelige galakser er kald og støvete, men de fleste tidligere storskalasimuleringer måtte overse dette, sier astronomen Joop Schaye ved Leiden University. – Med COLIBRE får vi endelig disse viktige komponentene med i helhetsbildet.
COLIBRE kan beskrives som et «mini-univers» i en virtuell boks. Forskerne legger inn startbetingelser og fysiske lover, og lar simuleringen utvikle seg fra før stjernene tennes og helt fram til dagens kosmiske struktur. Dersom sluttresultatet ligner universet slik vi observerer det, tyder det på at man har truffet rimelig godt med parameterne og prosessene.
72 millioner CPU-timer og et univers som ligner vårt
Den største simuleringen i prosjektet krevde rundt 72 millioner CPU-timer. En sentral del av arbeidet har vært å modellere kald gass, som er råmaterialet for stjernedannelse. Dette er komplisert, og derfor inkluderte forskerne også mer avansert fysikk og kjemi enn det som ofte har vært mulig i tidligere, store simuleringer.
Simuleringen inneholdt dessuten en støvmodell der støvkornene er delt inn i tre typer og to størrelser. Støv kan påvirke universets utvikling på flere måter: Det kan bidra til at frie atomer binder seg til molekyler, og det kan endre hvordan stråling beveger seg gjennom rommet ved å blokkere eller samhandle med bestemte bølgelengder.
Til slutt klarte forskerne å skape et virtuelt univers som på mange måter ligner vårt eget, både i hvor mange galakser som dannes og i egenskaper som lysstyrke, farger og størrelser.
– Det er fascinerende å se «galakser» komme ut av datamaskinen som ser ut som den virkelige varen, og som deler mange av egenskapene astronomer måler i observasjoner, sier fysikeren Carlos Frenk ved Durham University. – Det mest bemerkelsesverdige er at vi klarer å frambringe dette syntetiske universet ved å løse relevante fysikkligninger i et ekspanderende univers.
Mysteriet som fortsatt gjenstår
Selv om COLIBRE bringer simuleringene nærmere virkeligheten, er ikke alle spørsmål besvart. Et av de mer gåtefulle funnene fra James Webb Space Telescope er et fenomen astronomer omtaler som Little Red Dots. Forslagene til hva de kan være, spenner fra enorme stjerner til svært massive sorte hull, eller mer eksotiske kombinasjoner. Foreløpig gir ikke COLIBRE noe klart svar på dette.
Little Red Dots kan dermed bli et viktig tema for videre forskning. Samtidig peker resultatene fra COLIBRE i retning av at forskerne er nærmere en forklaring på hvordan galakser kunne oppstå og utvikle seg så tidlig i universets historie, uten at det nødvendigvis innebærer et brudd med de etablerte kosmologiske modellene.
Studien er publisert i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
