Формирование галактик представляет собой сложный танец между материей и энергией, происходящий на стадии космических пропорций и охватывающий миллиарды лет. То, как разнообразие структурированных и динамических галактик, которые мы наблюдаем сегодня, возникло из огненного хаоса Большого взрыва, остается одной из самых сложных нерешенных загадок космологии.
В поисках ответов международная команда ученых создала самую детальную крупномасштабную модель Вселенной на сегодняшний день, симуляцию, которую они называют TNG50. Их виртуальная вселенная, шириной около 230 миллионов световых лет, содержит десятки тысяч развивающихся галактик с уровнями детализации, ранее наблюдавшимися только в моделях с одной галактикой. Моделирование отслеживало более 20 миллиардов частиц, представляющих темную материю, газы, звезды и сверхмассивные черные дыры, за период в 13,8 миллиардов лет.
Беспрецедентное разрешение и масштаб позволили исследователям собрать ключевую информацию о прошлом нашей собственной вселенной, раскрывая, как различные галактики странной формы превращаются в существование и как звездные взрывы и черные дыры вызвали эту галактическую эволюцию. Их результаты опубликованы в двух статьях, которые будут опубликованы в декабрьском выпуске журнала «Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества» за декабрь 2019 года.
TNG50 - это последняя симуляция, созданная в рамках проекта IllustrisTNG, целью которого является создание полной картины того, как наша вселенная развивалась со времен Большого взрыва, создавая масштабную вселенную, не жертвуя тонкими деталями отдельных галактик.
«Эти симуляции представляют собой огромные наборы данных, в которых мы можем многому научиться, анализируя и понимая формирование и эволюцию галактик внутри них», - сказал Пол Торри, доцент физики Университета Флориды и соавтор исследования. «Что принципиально нового в TNG50, так это то, что вы получаете достаточно высокое массовое и пространственное разрешение в галактиках, которое дает вам четкое представление о том, как выглядит внутренняя структура систем по мере их формирования и развития».
Внимание модели к деталям происходит за определенную плату. Для моделирования потребовалось 16 000 процессорных ядер суперкомпьютера Hazel Hen в Штутгарте, Германия, и работающего непрерывно более года. Тот же самый расчет потребовал бы единственной процессорной системы 15 000 лет, чтобы вычислить. Несмотря на то, что это одна из самых сложных в истории вычислительных астрофизических симуляций, исследователи считают, что их инвестиции окупились.
«Численные эксперименты такого рода особенно успешны, когда вы получаете больше, чем вкладываете», - сказал в своем заявлении Дилан Нельсон, научный сотрудник Института астрофизики им. Макса Планка в Мюнхене, Германия, и соавтор исследования. , «В нашем моделировании мы видим явления, которые не были запрограммированы явно в коде моделирования. Эти явления возникают естественным образом из сложного взаимодействия основных физических компонентов нашей модельной вселенной».
Это возникающее явление может иметь важное значение для понимания того, почему наша Вселенная выглядит так, как сегодня, спустя 13,8 миллиардов лет после Большого взрыва. TNG50 позволил исследователям воочию увидеть, как галактики могли появиться из турбулентных газовых облаков, появившихся вскоре после рождения Вселенной. Они обнаружили, что дискообразные галактики, общие для нашего космического соседства, естественным образом возникли в рамках их моделирования и создали внутренние структуры, включая спиральные рукава, выпуклости и стержни, простирающиеся от их центральных сверхмассивных черных дыр. Когда они сравнили свою компьютерную вселенную с реальными наблюдениями, они обнаружили, что их популяция галактик качественно согласуется с реальностью.
Когда их галактики продолжали сглаживаться в хорошо упорядоченные вращающиеся диски, стало появляться другое явление. Взрывы сверхновых и сверхмассивные черные дыры в центре каждой галактики создали высокоскоростные потоки газа. Эти потоки превратились в фонтаны газа, возвышающиеся над галактикой на тысячи световых лет. Перетягивание силы тяжести в конечном итоге вернуло большую часть этого газа обратно на диск галактики, перераспределив его по внешнему краю и создав петлю обратной связи оттока и притока газа. Помимо переработки ингредиентов для формирования новых звезд, было также показано, что оттоки изменяют структуру их галактики. Рециркулированные газы ускорили превращение галактик в тонкие вращающиеся диски.
Несмотря на эти первоначальные выводы, команда еще не закончила анализ своей модели. Они также планируют опубликовать все данные моделирования для астрономов всего мира, чтобы изучить их виртуальный космос.
«Теперь, когда мы завершили эти симуляции, нам предстоит пройти огромную дорогу», - сказал Торри. «Целая команда исследователей работает над тем, чтобы лучше понять детальные свойства галактик, которые образуются, и какие возникающие тенденции обнаруживаются в этих данных».
