С середины 20 века ученые имели довольно хорошее представление о том, как возникла Вселенная. Космическое расширение и открытие Космический микроволновый фон (CMB) придал доверие Теория большого взрыва , и ускоряющаяся скорость расширения привела к теориям о Темная энергия . Тем не менее, есть многое о ранней Вселенной, чего ученые до сих пор не знают, что требует, чтобы они полагались на моделирование космической эволюции.
Это традиционно создавало небольшую проблему, поскольку ограничения вычислений означали, что моделирование могло быть либо крупномасштабным, либо детализированным, но не тем и другим одновременно. Однако группа ученых из Германии и США недавно завершила наиболее подробное крупномасштабное моделирование на сегодняшний день. Известный как TNG50 , это ультрасовременное моделирование позволит исследователям изучить, как эволюционировал космос, как в деталях, так и в крупном масштабе.
TNG50 - это последняя модель, созданная IllustrisTNG, текущим проектом, посвященным созданию больших космологических моделей формирования галактик. Он является новаторским, поскольку позволяет избежать традиционного компромисса, с которым астрономы вынуждены мириться. Короче говоря, детальное моделирование в прошлом страдало от небольшого объема, что затрудняло статистические выводы о крупномасштабной космической эволюции.
С другой стороны, в моделировании большого объема традиционно не хватает деталей, чтобы воспроизвести многие мелкомасштабные свойства Вселенной, что делает их прогнозы менее надежными. TNG50 является первым симулятором в своем роде, поскольку ему удается объединить идею крупномасштабного моделирования - концепцию «Вселенная в коробке» - с разрешением, которое ранее было возможно только при моделировании галактик.
Это стало возможным благодаря суперкомпьютеру Hazel Hen в Штутгарте, где 16 000 ядер работали вместе более года - это самое продолжительное и наиболее ресурсоемкое моделирование на сегодняшний день. Сама симуляция состоит из куба пространства размером более 230 миллионов световых лет в диаметре, который содержит более 20 миллиардов частиц, представляющих темную материю, звезды, космический газ, магнитные поля и сверхмассивные черные дыры (СМЧД).
TNG50 также может различать физические явления, которые происходят в масштабах до одной миллионной от общего объема (то есть 230 световых лет). Это позволяет моделировать одновременную эволюцию тысяч галактик на протяжении 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 проводились доктором Анналисой Пиллепич из Институт астрономии Макса Планка , и доктор Дилан Нельсон из Институт астрофизики Макса Планка . Как Дилан объяснил в пресс-релизе РСБУ:
«Численные эксперименты такого рода особенно успешны, когда вы получаете больше, чем вкладываете. В нашем моделировании мы видим явления, которые не были явно запрограммированы в коде моделирования. Эти явления возникают естественным образом в результате сложного взаимодействия основных физических компонентов нашей модельной вселенной ».
Эта иллюстрация показывает эволюцию Вселенной от Большого взрыва слева до современности справа. Изображение: НАСА
Кроме того, TNG50 является первым в своем роде симулятором двух возникающих явлений, которые играют ключевую роль в эволюции галактик. Во-первых, исследовательская группа заметила, что, когда они оглянулись назад, эти упорядоченные, быстро вращающиеся дисковые галактики (например, Млечный Путь) возникли из первоначально хаотических облаков газа.
По мере оседания этого газа новорожденные звезды переходили на все более круговые орбиты, в конечном итоге уступая место большим спиральным галактикам. Как доктор Анналиса Пиллепич объяснил :
«На практике TNG50 показывает, что наша собственная галактика Млечный Путь с ее тонким диском находится на пике галактической моды: за последние 10 миллиардов лет, по крайней мере, те галактики, которые все еще образуют новые звезды, стали все более и более дискообразными, и их хаотические внутренние движения значительно уменьшились. Когда Вселенная была возрастом всего несколько миллиардов лет, она была намного более беспорядочной! »
Второе возникающее явление появилось, когда галактики выровнялись в моделировании, когда были видны высокоскоростные газовые ветры, истекающие из галактик. Это было вызвано взрывами сверхновых и активностью сверхмассивных ЧД в сердце моделируемых галактик. Опять же, процесс изначально был хаотичным, газ истекал во всех направлениях, но со временем стал более сфокусированным на пути наименьшего сопротивления.
Новое исследование предполагает, что темная материя может существовать в сгустках, распределенных по всей нашей Вселенной. Предоставлено: Институт астрофизики Макса Планка.
К нынешней космологической эпохе эти потоки приобретают форму конуса и текут из противоположных концов галактики, при этом материал замедляется, покидая невидимый гравитационный колодец гало темной материи галактики. В конце концов, этот материал перестает вытекать наружу и начинает падать обратно, фактически становясь галактическим фонтаном переработанного газа.
Другими словами, это моделирование также является первым в своем роде, показывающим, как геометрия космического газа, обтекающего галактики, определяет их структуру (и наоборот). За свою работу доктор Пиллепич и доктор Нельсон были награждены премией. Премия Golden Spike 2019 , который выдается членам международного исследовательского сообщества Высокопроизводительный вычислительный центр в Штутгарте, Германия.
Доктор Пиллепич, доктор Нельсон и их коллеги также планируют опубликовать все данные моделирования TNG50 астрономическому сообществу и общественности. Это позволит астрономам и обычным ученым делать свои собственные открытия на основе моделирования, которое может включать дополнительные примеры возникающих космических явлений или решения непреходящих космических загадок.
Дальнейшее чтение: Королевское астрономическое общество , MNRAS , MNRAS (2)