С середины 20-го века ученые довольно хорошо представляли, как возникла Вселенная. Космическое расширение и открытие Космического микроволнового фона (CMB) придали достоверности теории Большого взрыва, а ускоряющаяся скорость расширения привела к теории о Темной энергии. Тем не менее, есть много о ранней Вселенной, которую ученые до сих пор не знают, что требует, чтобы они полагались на симуляции космической эволюции.
Это традиционно представляло собой небольшую проблему, поскольку ограничения вычислительной техники означали, что моделирование может быть либо крупномасштабным, либо подробным, но не обоими. Тем не менее, группа ученых из Германии и США недавно завершила самое подробное крупномасштабное моделирование на сегодняшний день. Этот современный симулятор, известный как TNG50, позволит исследователям изучить, как космос развивался как в деталях, так и в больших масштабах.
TNG50 - это новейшая симуляция, созданная IllustrisTNG, постоянным проектом, посвященным созданию больших космологических симуляций образования галактик. Это новаторский способ избежать традиционных компромиссов, с которыми вынуждены бороться астрономы. Короче говоря, в прошлом детальные моделирования страдали от низкого объема, что затрудняло статистические выводы о крупномасштабной космической эволюции.
С другой стороны, в симуляциях большого объема традиционно не хватает деталей, чтобы воспроизвести многие мелкомасштабные свойства Вселенной, что делает их прогнозы менее надежными. TNG50 - это первое в своем роде моделирование, в котором ему удается объединить идею крупномасштабного моделирования - концепцию «Вселенная в коробке» - с таким разрешением, которое ранее было возможно только при моделировании галактики.
Это стало возможным благодаря суперкомпьютеру Hazel Hen в Штутгарте, где 16 000 ядер работали вместе более года - самое длинное и наиболее ресурсоемкое моделирование на сегодняшний день. Само моделирование состоит из космического куба диаметром более 230 миллионов световых лет, который содержит более 20 миллиардов частиц, представляющих темную материю, звезды, космический газ, магнитные поля и сверхмассивные черные дыры (SMBH).
TNG50 также может различать физические явления, которые происходят в масштабах до одной миллионной части общего объема (то есть 230 световых лет). Это позволяет моделированию отслеживать одновременную эволюцию тысяч галактик в течение 13,8 миллиардов лет космической истории. Результаты их моделирования были опубликованы в двух статьях, недавно появившихся в журнале. Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества.
Оба исследования были проведены доктором Анналисой Пиллепич из Института астрономии им. Макса Планка и доктором Диланом Нельсоном из Института астрофизики Макса Планка. Как объяснил Дилан в пресс-релизе РАН:
«Численные эксперименты такого рода особенно успешны, когда вы получаете больше, чем вкладываете. 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 ».
Кроме того, TNG50 - это первое в своем роде моделирование двух возникающих явлений, которые играют ключевую роль в эволюции галактик. Во-первых, исследовательская группа заметила, что, оглядываясь назад во времени, упорядоченные, быстро вращающиеся дисковые галактики (такие как Млечный путь) возникли из изначально хаотических газовых облаков.
По мере того как этот газ оседал, новорожденные звезды выбирали все более круглые орбиты, в конечном итоге уступая место большим спиральным галактикам. Как объяснила доктор Анналиса Пиллепич:
«На практике TNG50 показывает, что наша собственная галактика Млечный путь с ее тонким диском находится на пике моды галактики: за последние 10 миллиардов лет, по крайней мере, те галактики, которые все еще образуют новые звезды, становятся все более похожими на диски, и их хаотические внутренние движения значительно уменьшились. Вселенная была намного более запутанной, когда ей было всего несколько миллиардов лет! »
Второе возникающее явление появилось, когда галактики сглаживаются в симуляции, когда из галактик вытекают высокоскоростные газовые потоки. Это было вызвано взрывами сверхновых и активностью от SMBH в сердце моделируемых галактик. Еще раз, процесс был первоначально хаотическим с газом, вытекающим во всех направлениях, но в конечном счете становился более сосредоточенным на пути наименьшего сопротивления.
В нынешнюю космологическую эпоху эти потоки становятся конусообразными и вытекают из противоположных концов галактики, причем материал замедляется, покидая невидимую гравитационную яму гало темной материи галактики. В конце концов, этот материал перестает течь наружу и начинает падать обратно, фактически становясь галактическим источником вторичного газа.
Другими словами, это моделирование также является первым в своем роде, показывающим, как геометрия космического газа, обтекающего галактики, определяет их структуры (и наоборот). За свою работу д-р Пиллепич и д-р Нельсон были удостоены премии Golden Spike Award 2019, которая присуждается членам международного исследовательского сообщества Высокопроизводительным компьютерным центром в Штутгарте, Германия.
Доктор Нельсон и их коллеги также собираются в конечном итоге выпустить все данные моделирования TNG50 для астрономического сообщества и общественности. Это позволит астрономам и гражданским ученым сделать собственные открытия на основе симуляции, которая может включать дополнительные примеры возникающих космических явлений или разрешения непреходящих космических тайн.
