Картинки по запросу вселенная

Образование галактик — это сложный танец материи и энергии, происходящий на сцене космических масштабов и охватывающий миллиарды лет. То, как разнообразие структурированных и динамичных галактик, которые мы наблюдаем сегодня, возникло из огненного хаоса Большого взрыва, остается одной из самых трудных нерешенных загадок космологии.

В поисках ответов международная команда ученых создала самую детальную крупномасштабную модель Вселенной на сегодняшний день — симуляцию, которую они назвали TNG50. Их виртуальная Вселенная, шириной около 230 миллионов световых лет, содержит десятки тысяч развивающихся галактик с уровнями детализации, которые ранее наблюдались только в моделях с одной галактикой. При моделировании отслеживалось более 20 миллиардов частиц, представляющих собой темную материю, газ, звезды и сверхмассивные черные дыры, и все это на протяжении 13.8 миллиардов лет. 

Беспрецедентное разрешение и масштаб позволили исследователям собрать ключевые сведения о прошлом нашей собственной Вселенной, показав, как галактики получили свои необычные формы и как звездные взрывы и черные дыры вызвали эту галактическую эволюцию. Результаты моделирования описаны в двух статьях, которые будут опубликованы в номере журнала Monthly Notices of the Royal Astronomical Society за декабрь 2019 года.

TNG50 — это новейшая симуляция, созданная в рамках проекта IllustrisTNG, целью которого является построение полной картины того, как наша Вселенная развивалась со времен Большого взрыва, путем создания крупномасштабной виртуальной Вселенной без ущерба для мелких деталей отдельных галактик.


Часть симуляции Вселенной. Красные области — горячие центры скопления галактик.

«Эта симуляция представляет собой огромный набор данных, разбирая который мы можем многому научиться, анализируя и понимая образование и эволюцию галактик внутри нее», — сказал Пол Торри, доцент физики в Университете Флориды и соавтор исследования. «Что принципиально нового в TNG50, так это то, что вы получаете достаточно высокое массовое и пространственное разрешения в галактиках, которые дают вам четкое представление о том, как выглядит внутренняя структура систем по мере их формирования и развития».

Такое внимание к деталям в симуляции обошлось недешево. Для моделирования потребовалось 16 000 процессорных ядер суперкомпьютера Hazel Hen в Штутгарте, Германия, работающих непрерывно более года. Для сравнения, мощный домашний компьютер справится с теми же вычислениями лишь за пару десятков тысяч лет. Несмотря на то, что это одна из самых вычислительно тяжелых астрофизических симуляций в истории, 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 явно запрограммированы в коде симуляции. Эти явления возникают естественным образом, в результате сложного взаимодействия основных физических компонентов нашей модели Вселенной».



Эти возникающие явления могут иметь важное значение для понимания того, почему наша Вселенная сейчас, спустя 13.8 миллиардов лет после Большого взрыва, выглядит именно так и никак иначе. TNG50 позволила исследователям воочию увидеть, как галактики возникают из турбулентных облаков газа, присутствующих вскоре после рождения Вселенной. 

Они обнаружили, что дискообразные галактики, которых много в нашем ближайшем космическом соседстве, естественным образом возникали в рамках их моделирования и создавали внутренние структуры, включая спиральные рукава, выпуклости и джеты, простирающиеся от их центральных сверхмассивных черных дыр. Когда они сравнили свою компьютерную Вселенную с реальными наблюдениями, то обнаружили, что их популяция галактик качественно согласуется с реальностью.

По мере того, как смоделированные галактики начали превращаться в хорошо упорядоченные вращающиеся диски, стало проявляться еще одно явление. Взрывы сверхновых и сверхмассивные черные дыры в центре каждой галактики создавали высокоскоростные потоки газа. Эти потоки превращались в фонтаны газа, поднимающиеся на тысячи световых лет над галактикой.


Смоделированное рождение скопления галактик, в котором структуры темной материи (белого цвета) сливаются воедино, в то время как сверхмассивные черные дыры и сверхновые выбрасывают в пространство газ (его движение показано красным).

Гравитационное притяжение в конце концов вернуло большую часть этого газа обратно на галактический диск, перераспределив его к внешнему краю и создав обратную петлю оттока и притока газа. Помимо переработки ингредиентов для формирования новых звезд, было также показано, что отток газа изменяет структуру галактик. Рециркулированные газы ускоряли превращение галактик в тонкие вращающиеся диски.

Несмотря на эти первоначальные выводы, команда еще далека от завершения анализа своей модели. Они также планируют опубликовать все данные моделирования для астрономов всего мира, чтобы они могли изучить их виртуальную Вселенную.

«Теперь, когда мы завершили наше моделирование, нам предстоит пройти огромный путь», — сказал Торри. «Целая команда исследователей работает над тем, чтобы лучше понять детальные свойства формирующихся виртуальных галактик и объяснить эволюцию нашей реальной Вселенной».




iGuides в Telegram — t.me/igmedia
iGuides в Яндекс.Дзен — zen.yandex.ru/iguides.ru
У нас есть подкаст и его видео-версия