Superpočítač simuloval prvních miliard let Mléčné dráhy. Některé pra-galaxie zářily, přestože v nich neexistovala jediná hvězda

Simulace MEGATRON přepočítala dětství naší Galaxie. Mezi tisíci zárodků našla objekty, které svítily bez živých hvězd, jen díky plynu po prvních hvězdách.

Foto: Pixabay

Na konci září 2026 zveřejnila Chicagská univerzita výsledek, na kterém mezinárodní tým pracoval tři roky. Simulace MEGATRON vykreslila oblast, z níž později vyrostla galaxie podobná Mléčné dráze, v období kosmického úsvitu. Místo jednoho ladného disku se objevil roj tisíců malých zárodků galaxií. Ty chladly, rodily hvězdy, explodovaly a postupně splývaly. Nejpodivnější úlovek modelu tvoří hala, ve kterých už nehoří žádná běžná hvězda. Přesto vyzařují světlo. Plyn, který po sobě zanechala krátká a prudká epizoda vzniku úplně prvních hvězd, se dál ochlazuje a svítí vlastními spektrálními čarami. Podle nás právě tento detail mění pohled na naši domovskou Galaxii. Z učebnicové spirály se stává rodokmen poskládaný z tisíců zaniklých a pohlcených předků.

Tisíce zárodků místo jedné spirály: jak MEGATRON vidí mládí Mléčné dráhy

Představa Mléčné dráhy jako elegantního víru hvězd platí pro současnost. Před více než dvanácti miliardami let ale vypadala oblast, ze které naše Galaxie vzešla, úplně jinak. Simulace sleduje první miliardy let vývoje. Začíná v nejranějších epochách, kdy se rodily hvězdy takzvané Populace III. Ty vznikaly z čistého vodíku a hélia, ještě bez těžších prvků. Hlavní pozornost model věnuje období s červeným posuvem nad osm, tedy době, kdy vesmír měl za sebou zhruba 600 milionů let. Doprovodné běhy pak pokračují až ke „kosmickému poledni“, kdy hvězdy vznikaly nejbouřlivěji.

Děj připomíná stavbu města z provizorních osad. Temná hmota vytvoří gravitační jámy a do nich stéká plyn. Ten se ochladí, zhustí a zažehne hvězdy. Ty brzy vybuchnou, rozmetají okolí a obohatí ho o uhlík, kyslík či železo. Malé systémy se mezitím přitahují a slučují. Některé přežijí jako trpasličí satelity, většina se rozpustí v rostoucím celku.

Tyto pragalaxie se od dnešních liší téměř ve všem. Mají nepatrnou hmotnost a minimum kovů. Hvězdy v nich vznikají v nárazech a záření i zpětná vazba z explozí s nimi cloumají víc, než by dnešní galaxie snesla. Autoři v modelu rozlišili celou paletu krátkodobých stavů. Patří do ní galaxie s hvězdami Populace III, extrémní emisní galaxie, objekty po náhlém vyhasnutí tvorby hvězd i chladnoucí hala.

Pragalaxie bez hvězd: co v nich vlastně září

Nejvíc fascinuje poslední kategorie. Recept je překvapivě jednoduchý. Halo temné hmoty drží v sevření oblak prvotního plynu. Ve zlomku kosmického času se v něm rozhoří hvězdy Populace III. Byly obří, žhavé a žily jen několik milionů let. Svým zářením plyn rozžhaví a ionizují, při zániku ho navíc obohatí o první kovy. Pak zmizí, ať už v supernově, nebo kolapsem rovnou do černé díry.

Plyn ale svítí dál. Při rekombinaci a ochlazování vyzařuje v ostrých spektrálních čarách a vytváří takzvané nebulární kontinuum. Hlavní studie MEGATRON v The Open Journal of Astrophysics označuje tyto objekty za „čistě čárové zářiče“. Ve spektru chybí hvězdná složka, zato vodíkové čáry Hα a Hβ dosahují mimořádné síly. V halech bez hvězd na hlavní posloupnosti, tedy bez hvězd, které by běžně spalovaly vodík, podle autorů převládá chladicí záření prvotního i kovy obohaceného plynu. Nejjasnější případy se objevují krátce poté, co v halu proběhla epizoda tvorby hvězd Populace III.

Nejde přitom o optický klam. Model sleduje vznik každé hvězdné částice, chemii plynu, záření i ochlazování. Rozezná proto galaxii se živými hvězdami, objekt po odeznělé epizodě hvězdotvorby i halo, kde svítí výhradně plyn. Černé díry v tomto příběhu nehrají hlavní roli, protože aktivní galaktická jádra simulace zatím vůbec nezahrnuje. Zbytky po prvních hvězdách tak fungují jako dávný zdroj energie a chemie. Světlo, které by případný dalekohled zachytil, pochází z plynu.

Podobné „temné“ objekty astronomové hledají i v blízkém vesmíru. U galaxie M51 popsali letos dva vodíkové oblaky bez viditelného hvězdného protějšku. Pokud se jejich povaha potvrdí, šlo by o halo, ve kterém se hvězdy nikdy nezažehly. Vědci ovšem připouštějí, že oblaky mohou být i slapově vytrženým plynem. Mechanismus se navíc liší. Oblaky u M51 hvězdy nikdy nezažehly, zatímco pragalaxie z MEGATRONu svítí právě proto, že v nich hvězdy kdysi byly.

Tři roky výpočtů a 81 iontů: proč superpočítač potřeboval tolik času

Harley Katz z Chicaga, který projekt vede, zdůrazňuje hlavně jednu věc. Simulace sleduje, jak jednotlivé hvězdy od Velkého třesku obohacovaly okolí o konkrétní chemické prvky. Spojuje přitom gravitaci, proudění plynu, záření, chemii i hvězdné procesy. Hlavní studie MEGATRON označuje za první sadu kosmologických simulací, které propojují rozsáhlou nerovnovážnou chemickou síť prvotních prvků, kovů a molekul s průběžně počítaným přenosem záření na mnoha frekvencích.

Výpočetní náročnost tím prudce roste. Model rozlišuje struktury velké jednotky parseků, tedy řádově jen několik až desítky světelných let. Zachytí i drobná hala, která jsou příliš malá na to, aby je chladil atomární vodík. Doprovodná studie o plynu kolem galaxií pracuje s 81 ionty a molekulami a s lokálním radiačním polem. Výsledek se znatelně liší od tradičních modelů s jednotným ultrafialovým pozadím. U pokrytí oblohy hustými vodíkovými absorbéry dosahuje rozdíl až kolem 40 %.

Nerovnováha je přitom klíčová. Plyn v raném vesmíru se mění tak rychle, že nestihne dosáhnout chemické ani ionizační rovnováhy. Starší modely ji předpokládaly, a proto mohly přehlédnout stavy, které MEGATRON vidí. Patří mezi ně i svítící hala bez hvězd.

Na rozsah projektu ukazují i plány do budoucna. Tým podle Univerzity v Bathu získal dalších 40 milionů procesorových hodin na britských národních superpočítačích. Odpovídá to zhruba pěti tisícům notebooků, které by počítaly souběžně celý rok. Projekt odstartoval v roce 2023 a poběží do roku 2030.

Železná stopa a Webbův dalekohled: kde simulaci prověří pozorování

Simulace je předpověď a hodnotu získá teprve srovnáním s oblohou. Tvůrci k tomu připravili knihovnu více než 175 000 umělých spekter raných galaxií a syntetické snímky pro přístroje NIRCam a NIRSpec na Webbově dalekohledu. Shoda je zatím povzbudivá. MEGATRON reprodukuje velkou část spektrální pestrosti, kterou Webb pozoruje. Simulované galaxie odpovídají vztahu mezi hmotností a tvorbou hvězd naměřenému v přehlídce UNCOVER. Navíc potvrzují, že mezihvězdný plyn byl v raném vesmíru hustší, chudší na kovy a vystavený tvrdšímu záření než v blízkých galaxiích.

Lov na galaxie Populace III bude obtížný. Mezi 20 942 simulovanými objekty tohoto typu jich jen sedm dosáhlo ultrafialové jasnosti, která by je s pomocí gravitační čočky, tedy zesílení světla masivní kupou galaxií v popředí, dostala do dosahu Webbu. Prozradit by je měla silná čára ionizovaného hélia, chybějící kovové čáry a výrazný příspěvek svítícího plynu. Pokud Webb nebude stačit, autoři počítají s budoucím Extrémně velkým dalekohledem ESO.

Druhou stopu nesou hvězdy v našem okolí. Studie vedená Martinem Reyem ukazuje, proč nejslabší trpasličí galaxie obsahují zhruba stejné množství železa bez ohledu na hmotnost. Hodnota se drží kolem tří tisícin slunečního obsahu. Původcem mají být mimořádně silné supernovy obřích hvězd Populace III. Zhruba pětinu trpaslíků model předpovídá ještě chudší. Spojení pohledu Webbu do minulosti s „hvězdnou archeologií“ považujeme za nejsilnější kartu projektu.

Model má i slabá místa. Nedokáže vytvořit nejextrémnější kyslíkové emise, jasné galaxie s výrazným Balmerovým zlomem ani záhadné „malé červené tečky“ z Webbových snímků. Chybějí mu černé díry, magnetická pole a kosmické záření. Do ověřování se mohou zapojit i čeští astronomové. Česko je členem ESA, která má zaručeno nejméně 15 % pozorovacího času Webbu. Uvolněná data jsou volně ke stažení v archivu MAST. Vizualizaci rané Mléčné dráhy si lze prohlédnout přímo ve zprávě Chicagské univerzity.