Галактические фонтаны и карусели: порядок, возникающий из хаоса

Впервые показано, что геометрия потоков космического газа вокруг галактик определяет структуру галактик, и наоборот.

Ученые из Германии и Соединенных Штатов Америки представили результаты недавно завершенного имитационного моделирования эволюции галактик, основанного на новейших достижениях в этой области. TNG50 является наиболее подробным крупномасштабным космологическим моделированием на сегодняшний день. Она позволяет исследователям детально изучить, как образуются галактики и как они эволюционировали вскоре после Большого взрыва. Впервые показано, что геометрия потоков космического газа вокруг галактик определяет структуру галактик, и наоборот.

Астрономы, проводящие космологическое моделирование, сталкиваются с фундаментальным компромиссом: при ограниченной вычислительной мощности типичные моделирования до сих пор были либо очень детальными, либо охватывали большой объем виртуального пространства, но до сих пор не могли сделать и то, и другое. Детальное моделирование с ограниченными объемами позволяет моделировать не более нескольких галактик, что затрудняет получение статистических данных. Моделирование в больших объемах, в свою очередь, обычно не содержит деталей, необходимых для воспроизведения многих мелких свойств, которые мы наблюдаем в нашей собственной Вселенной, снижая их прогностическую силу.

Только что опубликованная симуляция TNG50 позволяет найти компромисс. Впервые он сочетает в себе идею масштабного космологического моделирования  на уровне детализации, который ранее был возможен только для изучения отдельных галактик.

В имитируемом кубе пространства длиной более 230 миллионов световых лет TNG50 может различать физические явления, которые происходят в масштабе, в миллион раз меньшем, отслеживая одновременное развитие тысяч галактик за 13,8 миллиардов лет космической истории. При этом более 20 миллиардов частиц представляют собой темную (невидимую) материю, звезды, космический газ, магнитные поля и сверхмассивные черные дыры. Для расчета потребовалось 16 000 ядер суперкомпьютера Hazel Hen в Штутгарте, работающего вместе 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, в течение более чем одного года, что эквивалентно пятнадцати тысячам лет на одном процессоре, что делает его одним из самых сложных астрофизических расчетов на сегодняшний день.

Первые научные результаты TNG50 публикуются группой под руководством доктора Анналисы Пиллепих (Институт астрономии Макса Планка, Гейдельберг) и доктора Дилана Нельсона (Институт астрофизики Макса Планка, Гархинг) и выявляют непредвиденные физические явления. По словам Нельсона: » В нашем моделировании мы видим явления, которые не были явно запрограммированы в коде моделирования. Эти явления возникают естественным образом, из сложного взаимодействия основных физических ингредиентов нашей модели вселенной».

В TNG50 есть два ярких примера такого экстренного поведения. Первая касается образования «дисковых» галактик, таких как наш собственный Млечный Путь. Используя моделирование в качестве машины времени для перемотки эволюции космической структуры, исследователи увидели, как упорядоченные, быстро вращающиеся дисковые галактики (которые являются общими для нашей близлежащей Вселенной) возникают из хаотических, неорганизованных и очень бурных облаков газа в ранние эпохи.

По мере того, как газ оседает, новорожденные звезды обычно обнаруживаются на все большем количестве круговых орбит, в конечном итоге образуя большие спиральные галактики — галактические карусели. Аннализа Пиллепич объясняет: «На практике TNG50 показывает, что наша собственная галактика Млечного Пути с тонким диском находится на пике моды галактик: за последние 10 миллиардов лет по крайней мере те галактики, которые еще формируют новые звезды, стали более дискообразными, а их хаотические внутренние движения значительно уменьшились.»

По мере того, как эти галактики сглаживались, исследователи обнаружили еще одно новое явление, связанное с высокоскоростными утечками газа из галактик и ветрами, вытекающими из них. Это произошло в результате взрывов массивных звезд (сверхновых) и активности сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в центре галактик. Галактические газообразные оттоки первоначально также хаотичны и стекают во все стороны, но со временем они начинают становиться все более сфокусированными по пути наименьшего сопротивления.

В поздней вселенной, потоки из галактик принимают форму двух конусов, возникающих в противоположных направлениях, как два конуса мороженого размещены кончик на кончик, с вихревой галактикой в центре. Эти потоки материала замедляются, когда они пытаются оставить гравитационный колодец невидимой или темной материи галактики, и в конечном итоге могут затормозить и отступить, образуя галактический фонтан переработанного газа. Этот процесс перераспределяет газ из центра галактики в ее окрестности, еще более ускоряя превращение самой галактики в тонкий диск: галактическая структура формирует галактические фонтаны, и наоборот.

Группа ученых, создающих TNG50 (на базе Макс-Планк-Институтов в Гаршинге и Гейдельберге, Гарвардского университета, Массачусетского технологического института и Центра вычислительной астрофизики (CCA)), в конечном итоге предоставит все данные моделирования астрономическому сообществу в целом, а также общественности в частности. Это позволит астрономам всего мира делать собственные открытия во вселенной TNG50 и, возможно, находить новые примеры возникающих космических явлений, порядка, возникающего в результате хаоса.

Популярные материалы