Спиральная галактика NGC 1300. Нажмите для увеличения
Исследователи использовали мощь одного из самых быстрых суперкомпьютеров в мире - Симулятора Земли - для моделирования роста галактик в ранней Вселенной. Команда смоделировала процесс с самого начала, вскоре после Большого взрыва, когда скопления газа собрались вместе, чтобы сформировать звезды, которые затем слились во все большие и большие коллекции, и, наконец, стали галактиками. Они обнаружили, что галактики, такие как Млечный Путь, вероятно, имеют тот же состав, что и только через миллиард лет после Большого взрыва.
Два астронома выполнили одну из крупнейших в мире астрофизических симуляций для моделирования роста галактик. Используя суперкомпьютер «Earth Simulator» в Японии, который также используется для моделирования климата и симуляции сейсмической активности, Масао Мори из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Масаюки Умемура из Университета Цукуба вычислили, как галактики эволюционировали всего за 300 миллионов лет. после Большого взрыва до наших дней. Результаты показывают, что галактики могли развиваться намного быстрее, чем считалось в настоящее время (Природа 440 644).
Согласно «иерархической» модели, галактики формируются посредством восходящего процесса, который начинается с образования небольших скоплений газа и звезд, которые затем сливаются в более крупные системы. Мори и Умемура моделировали этот процесс, используя мощный 3D-гидродинамический код в сочетании с кодом «спектрального синтеза» для астрофизической плазмы, чтобы учесть динамическую и химическую эволюцию первичной галактики. Имитационное моделирование Земли было выполнено со сверхвысоким разрешением, основанным на 1024 «точках сетки», что делает его одним из крупнейших вычислений, когда-либо проводимых в астрофизике.
Мори и Масаюки устанавливают начальные условия в своем моделировании на основе вселенной холодной темной материи, параметры которой определяются измерениями космического микроволнового фона. Эти наблюдения, впервые сделанные в 2003 году, показывают, что мы живем в плоской вселенной, состоящей всего из 4% обычной материи, 22% темной материи и 74% темной энергии - в соответствии со стандартной моделью космологии. Затем исследователи напрямую сравнили свои численные результаты с наблюдениями примитивных галактик, называемых альфа-излучателями Лимана и галактиками «разрыва Лимана», которые астрономы находят в самых отдаленных и, следовательно, самых старых частях Вселенной.
Результаты показывают, что исконные пузырьки газа, которые образовались в ранней Вселенной всего лишь через 300 миллионов лет после Большого взрыва, действительно выглядят как излучатели Лаймана-альфа. Примерно через 1 миллиард лет моделирования показывают, что эти галактики мутируют в галактики Лаймана-разрыва. Наконец, после 10 миллиардов лет эволюции структуры напоминают современные эллиптические галактики.
Моделирование также предсказывает смесь химических элементов в галактике на каждом этапе ее эволюции и предполагает, что наш Млечный Путь имеет примерно такой же состав сегодня, как и тогда, когда ему было всего 1 миллиард лет. До сих пор считалось, что галактики постепенно эволюционировали и обогащались более тяжелыми элементами, помимо водорода и гелия, в течение 10 миллиардов лет в результате многократного образования звезд и взрывов сверхновых.
«Наши результаты показывают, что формирование галактик происходило намного быстрее и что в галактиках образовалось большое количество тяжелых элементов всего за 1 миллиард лет», - говорит Мори.
Первоначальный источник: Институт физики
