Ученые из Германии и США обнародовали результаты недавно завершённого моделирования эволюции галактик. Симуляция TNG50 – самое детальное космологическое моделирование крупномасштабных структур. Она позволяет исследователям подробно изучить то, как формируются галактики, и как они эволюционировали вскоре после большого взрыва. В рамках моделирования впервые было показано, что геометрия потоков космического газа вокруг галактик определяет структуру последних, и наоборот. Исследователи опубликуют свои результаты в двух статьях в ежемесячном издании Королевского Астрономического Общества.
Учёные, которые заняты работой с космологическими моделями, постоянно сталкиваются с фундаментальным компромиссом: из-за того, что вычислительная мощность компьютеров конечна, типичные симуляции могут быть либо очень подробными для отдельно взятого небольшого объёма пространства, либо охватывать большой объем виртуального пространства без каких-либо подробностей. И того и другого одновременно до сих пор никто не смог сделать (о попытке решения этой проблемы с помощью машинного обучения читайте здесь). Детальное моделирование с ограниченными объёмами может моделировать не более нескольких галактик, что затрудняет статистические выводы. Крупномасштабные симуляции, в свою очередь, обычно лишены деталей, необходимых для воспроизведения многих мелкомасштабных свойств, которые мы наблюдаем в нашей собственной Вселенной, что снижает их предсказательную способность.
Моделирование TNG50, результаты которого были совсем недавно опубликованы, позволяет избежать этого компромисса. Впервые оно сочетает в себе идею крупномасштабного космологического моделирования, как бы “Вселенная из коробки” с вычислительным разрешением симуляции в масштабе. Причём, достижим такой уровнень детализации, который ранее был возможен только для изучения отдельных галактик.
В моделируемом кубе космического пространства, который имеет более 230 миллионов световых лет в поперечнике, TNG50 может реализовывать физические явления, которые происходят в миллион раз меньших масштабах, прослеживая одновременную эволюцию тысяч галактик за 13,8 миллиарда лет космической истории. Это происходит с более чем 20 миллиардами частиц, представляющих темную (невидимую) материю, звёзды, космический газ, магнитные поля и сверхмассивные чёрные дыры. Сам расчёт потребовал использования 16000 ядер на суперкомпьютере Hazel Hen в Штутгарте, работающих одновременно каждый день более года. Это время эквивалентно пятнадцати тысячам лет работы на одном процессоре, что делает симуляцию одним из самых сложных астрофизических вычислений на сегодняшний день.
Первые научные результаты TNG50 публикуются командой, возглавляемой доктором Аннализой Пиллепич (Институт астрономии имени Макса Планка, Гейдельберг) и доктором Диланом Нельсоном (Институт астрофизики имени Макса Планка, Гархинг), и раскрывают непредвиденные физические явления.
Иллюстрация света, испускаемого звёздами, образовавшимися в галактике из симуляции TNG50. Источник: D. Nelson (MPA) and the IllustrisTNG team
“Численные эксперименты такого рода особенно успешны, когда вы получаете больше, чем вкладываете. В нашем моделировании мы видим явления, которые явно не были запрограммированы в коде симуляции. Эти явления возникают естественным образом, в результате сложного взаимодействия основных физических компонентов нашей модели вселенной”, – говорит Дилан Нельсон.
TNG50 содержит два ярких примера такого рода неожиданного поведения. Первый касается образования дисковых галактик, подобных нашему Млечному Пути. Используя моделирование в качестве машины времени для перемотки эволюции космической структуры, исследователи увидели то, как хорошо упорядоченные, быстро вращающиеся дисковые галактики (которые распространены в нашей местной вселенной) появляются из хаотических, дезорганизованных и сильно турбулентных газовых облаков в более ранние эпохи.
По мере уплотнения газа новорождённые звёзды обычно располагаются на всё более и более круговых орбитах, в конечном итоге образуя большие спиральные галактики.
“На практике TNG50 показывает, что наша галактика Млечный Путь с её тонким диском находится на пике своей “формы”: по крайней мере за последние 10 миллиардов лет, те галактики, которые всё ещё формируют новые звёзды, стали более дискообразными, а их хаотические внутренние движения значительно уменьшились. Вселенная была гораздо более беспорядочной, когда ей было всего несколько миллиардов лет”, – Аннализа Пиллепич.
По мере того как эти галактики успокаиваются, исследователи обнаружили ещё одно возникающее явление, связанное с высокоскоростными потоками и ветрами газа, вытекающего из галактик. Это происходит в результате взрывов массивных звёзд (сверхновых) и активности сверхмассивных чёрных дыр, обнаруженных в центрах галактик. Галактические газовые потоки изначально также хаотичны и расходятся во всех направлениях, но со временем они становятся более сфокусированными и движутся по пути наименьшего сопротивления.
В поздней вселенной потоки из галактик принимают форму двух конусов, появляющихся в противоположных направления. Для ясности, это можно сравнить с двумя рожками мороженого, расположенных острием к острию, с галактикой, вращающейся в центре. Эти потоки вещества замедляются, когда они пытаются покинуть гравитационный колодец галактического ореола или гало, состоящего из невидимой, или тёмной, материи. Этот газ может, в конечном итоге, остановиться и упасть назад, образуя галактический фонтан рециркулирующего газа. Этот процесс перераспределяет газ от центра галактики к ее окраинам, еще больше ускоряя превращение самой галактики в тонкий диск. Становится совершенно очевидно, что галактическая структура формирует галактические фонтаны, и наоборот.
Команда учёных, создавший TNG50 (она представлена исследователями из институтов Макса Планка в Гархинге и Гейдельберге, Гарвардского университета, Массачусетского технологического института и Центра вычислительной астрофизики), в конечном итоге выпустит все данные моделирования для всего астрономического сообщества, а также для общественности. Это позволит астрономам всего мира сделать свои собственные открытия во вселенной с помощью TNG50, и, возможно, найти дополнительные примеры возникающих космических явлений.
По информации Королевского астрономического общества.
Источник: