Формування галактик - це складний танець між матерією та енергією, що відбувається на сцені космічних пропорцій і охоплює мільярди років. Як різноманітність структурованих та динамічних галактик, які ми спостерігаємо сьогодні, виникла з вогненного хаосу Великого вибуху, залишається однією з найскладніших нерозв’язаних загадок космології.
У пошуках відповідей міжнародна команда вчених створила найбільш детальну масштабну модель всесвіту на сьогоднішній день, імітацію, яку вони називають TNG50. Їх віртуальний Всесвіт, шириною 230 мільйонів світлових років, містить десятки тисяч розвиваються галактик з рівнем деталізації, що раніше спостерігався лише в моделях з однією галактикою. Симуляція відстежувала понад 20 мільярдів частинок, що представляють темну речовину, гази, зірки та надмасивні чорні діри протягом 13,8 мільярдів років.
Безпрецедентна роздільна здатність та масштабність дозволили дослідникам зібрати ключові уявлення про минуле нашого всесвіту, виявивши, як різні дивні форми галактик перетворюються на буття і як зоряні вибухи та чорні діри викликали цю галактичну еволюцію. Їх результати опубліковані у двох статтях, які будуть опубліковані у випуску за грудень 2019 року журналу Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
TNG50 - це останнє моделювання, створене Проектом IllustrisTNG, яке має на меті створити повну картину того, як розвивалася наша Всесвіт після Великого вибуху, створюючи масштабний Всесвіт, не жертвуючи дрібними деталями окремих галактик.
"Ці симуляції - це величезна кількість наборів даних, де ми можемо навчитися тоні шляхом розсічення та розуміння формування та еволюції галактик всередині них", - сказав Пол Торрі, доцент фізики з університету Флориди та співавтор дослідження. "Що є принципово новим у TNG50, це те, що ви отримуєте достатньо високу масову та просторову роздільну здатність в межах галактик, які дають вам чітке уявлення про те, як виглядає внутрішня структура систем у міру їх формування та розвитку".
Увага моделі до деталей приходить за певну ціну. Для моделювання було потрібно 16000 процесорних ядер суперкомп'ютера Hazel Hen у Штутгарті, Німеччина, безперервно працює більше року. Цей же розрахунок потребував би обчислення однієї процесорної системи 15 000 років. Незважаючи на те, що це одне з найбільш важко обчислюваних астрофізичних симуляцій в історії, дослідники вважають, що їх інвестиції окупилися.
"Чисельні експерименти такого роду особливо успішні, коли ви отримуєте більше, ніж вкладаєте", - йдеться у повідомленні Ділана Нельсона, докторантського інституту астрофізики Макса Планка в Мюнхені, Німеччина, та співавтора дослідження. . "У нашому моделюванні ми бачимо явища, які не були явно запрограмовані в імітаційний код. Ці явища виникають природним шляхом, із складного взаємозв'язку основних фізичних інгредієнтів нашої модельної всесвіту".
Це виникне явище може бути суттєвим для розуміння того, чому наш Всесвіт з'являється таким, яким він є сьогодні, 13,8 мільярда років після Великого вибуху. TNG50 дозволив дослідникам на власні очі побачити, як галактики, можливо, виникли з бурхливих хмарних газів, наявних незабаром після народження Всесвіту. Вони виявили, що дископодібні галактики, загальні для нашого космічного сусідства, природно виникли в рамках їх моделювання та створили внутрішні структури, включаючи спіральні руки, випинання та бруски, що виходять із їхніх центральних надмасивних чорних дір. Коли вони порівнювали свій комп'ютерно створений Всесвіт з реальними спостереженнями, вони виявили, що їх популяція галактик якісно відповідає дійсності.
Коли їхні галактики продовжували сплющуватися в упорядковані обертові диски, почало виникати ще одне явище. Вибухи Супернової та надмасивні чорні діри в основі кожної галактики створювали швидкісні відтоки газу. Ці відтоки переливаються у фонтани газу, що піднімаються за тисячі світлових років над галактикою. Буксир сили тяжіння зрештою повернув велику частину цього газу до диска галактики, перерозподіливши його до його зовнішнього краю та створивши петлю зворотного зв'язку щодо відпливу та надходження газу. Крім переробки інгредієнтів для утворення нових зірок, також було показано, що відтоки змінюють структуру своєї галактики. Перероблені гази прискорили перетворення галактик у тонкі обертові диски.
Незважаючи на ці вихідні висновки, команда ще далеко не закінчила розбирати свою модель. Вони також планують публічно оприлюднити всі дані моделювання для астрономів у всьому світі для вивчення їх віртуального космосу.
"Зараз перед нами величезна дорога, коли ми виконали ці симуляції", - сказав Торрі. "Ціла команда дослідників працює над тим, щоб краще зрозуміти детальні властивості галактик, що формуються, і які виникаючі тенденції виявляються в цих даних".
