«Апостериори»: Учёные выявили расхождение наблюдаемого распределения водорода во Вселенной с компьютерной моделью

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Астрономы обнаружили, что одна из крупнейших компьютерных моделей эволюции Вселенной может недооценивать неоднородность распределения нейтрального водорода между галактиками.

Нейтральный водород – самый распространённый из элементов в межзвёздном газе. Его атомы испускают радиоволны с характерной длиной волны 21 сантиметр. По мере расширения Вселенной это излучение растягивается, за счёт чего по его наблюдаемой частоте можно определить, с какого расстояния оно пришло. А различия в интенсивности излучения позволяют проследить распределение водорода в пространстве и таким образом получить своего рода трёхмерную карту крупномасштабной структуры Вселенной.

В новом исследовании, опубликованном 28 сентября 2026 года в журнале The Astrophysical Journal, учёные проанализировали результаты наблюдений канадского радиотелескопа CHIME. Ранее с его помощью удалось измерить спектр мощности 21-сантиметрового излучения на красном смещении около 1. Это соответствует эпохе, когда Вселенная была примерно вдвое моложе современной.

Спектр мощности в данном случае показывает, насколько сильно количество нейтрального водорода отличается от одной области пространства к другой в зависимости от рассматриваемого масштаба. Чем выше его амплитуда, тем сильнее водород сконцентрирован в отдельных областях, а не распределён по Вселенной равномерно.

Авторы новой работы сравнили результаты наблюдений CHIME с IllustrisTNG – одной из наиболее подробных компьютерных моделей формирования и эволюции галактик. Такие симуляции начинают с распределения вещества в молодой Вселенной, а затем рассчитывают его эволюцию под действием гравитации и различных астрофизических процессов. В частности, они моделируют образование звёзд, взрывы сверхновых и активность сверхмассивных чёрных дыр – процессы, которые способны нагревать и перемещать газ внутри галактик и за их пределами.

Однако распределение нейтрального водорода в IllustrisTNG заметно отличалось от наблюдаемого. Учёные использовали две версии симуляции – TNG100 и TNG300 – и обнаружили расхождение с данными CHIME на уровне 3,1 и 4 стандартных отклонений соответственно.

Главное различие оказалось не в форме спектра, а в его общей амплитуде. Чтобы привести результаты симуляций в соответствие с наблюдениями, амплитуду спектра TNG100 пришлось увеличить примерно в 2,4 раза, а TNG300 – почти в 4 раза. После такого масштабирования обе модели достаточно хорошо воспроизводили зависимость сигнала от пространственного масштаба. Это означает, что симуляции, вероятно, недооценивают степень кластеризации нейтрального водорода на масштабах, исследованных CHIME.

При этом расхождение, по мнению авторов работы, вряд ли можно объяснить просто неправильной оценкой общего количества нейтрального водорода. Более вероятная причина связана с тем, как именно водород распределён и движется внутри галактик и окружающих их гало. На измеряемых CHIME масштабах существенную роль играют нелинейная кластеризация вещества и движения газа, которые искажают его наблюдаемое распределение в пространстве.

Пока определить конкретную причину расхождения невозможно. На распределение водорода в симуляциях одновременно влияют масса содержащих его галактических гало, распределение газа между центральными и спутниковыми галактиками, скорость его движения, звездообразование, взрывы сверхновых, активность чёрных дыр и другие процессы. Нынешние наблюдения в основном позволяют определить общую степень кластеризации водорода и не позволяют разделить вклад каждого из этих факторов.

Однако именно поэтому результат может оказаться полезным для дальнейшего развития моделей формирования галактик. Наблюдения 21-сантиметрового излучения первоначально рассматривались прежде всего как способ исследования крупномасштабной структуры и космологии. Новая работа показывает, что на меньших масштабах они также позволяют проверять, насколько правильно компьютерные симуляции описывают поведение газа в галактиках. Более точные будущие измерения смогут помочь установить причину обнаруженного расхождения и уточнить физические процессы, определяющие эволюцию галактик.