Перейти к содержимому

Галактические фонтаны и карусели — опубликованы результаты крупнейшего моделирования образования галактик

Галактические фонтаны и карусели

Порядок, возникающий из хаоса

Ученые из Германии и США обнародовали результаты недавно завершенного, современного моделирования эволюции галактик. TNG50-это наиболее детальное крупномасштабное космологическое моделирование. Это позволяет исследователям детально изучить, как формируются 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, стоят перед выбором. Моделирования галактик до сих пор были либо очень подробными, либо охватывали большой объем фазового пространства, но не одновременно. Детальное моделирование с ограниченными объемами может охватить не более чем несколько галактик, что затрудняет статистические выводы. В свою очередь, крупномасштабные симуляции обычно не содержат точных деталей в меньших масштабах, которые важны для описания отдельных галактик. Недавно опубликованная модель TNG50 достигает обоих результатов. Впервые она сочетает в себе идею крупномасштабного космологического моделирования - Вселенной в коробке  – с вычислительным разрешением подробных моделей, на уровне детализации, который ранее был возможен только для исследований отдельных галактик.

В моделируемом кубе пространства, который имеет более 230 миллионов световых лет в поперечнике, TNG50 может различать физические явления, которые происходят на масштабах в миллион раз меньше, отслеживая одновременную эволюцию тысяч галактик за 13,8 миллиардов лет космической истории. Это происходит с более чем 20 миллиардами частиц, представляющих тёмную материю, звезды, космический газ, магнитные поля и сверхмассивные черные дыры. Сам расчет потребовал одновременной работы 16 000 ядер на суперкомпьютере Hazel Hen в Штутгарте в режиме 24/7, в течение более чем года – эквивалент пятнадцати тысяч лет на одном процессоре.  Таким образом, TNG-50 это одна из самых требовательных астрофизических моделей на сегодняшний день.

 

Возникающие явления в моделируемой Вселенной

Отток газа из галактики. Сверху донизу каждая строка представляет собой отдельный снимок, охватывающий 370 миллионов лет космической эволюции.

D. Нельсон (MPA) и группа Illustris TNG

Первые научные результаты TNG50, представленные в двух статьях, которые только что были опубликованы в ежемесячных Заметках Королевского астрономического общества, группой под руководством доктора Аннализы Пиллепич (Институт астрономии Макса Планка, Гейдельберг) и доктора Дилана Нельсона (Институт астрофизики Макса Планка, Гархинг), выявили непредвиденные физические явления. По словам Нельсона: "цифровые эксперименты такого рода особенно успешны, когда вы получаете больше, чем вы 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 модели Вселенной.”

TNG50 имеет два ярких примера для такого рода поведения, явно не заложенного в программный код. Первый касается образования  дисковых галактик, подобных нашему собственному Млечному Пути. Используя TNG50 в качестве машины времени для перемотки эволюции космической структуры, исследователи видели, как хорошо упорядоченные, быстро вращающиеся дисковые галактики (которые распространены в нашей соседней Вселенной) возникают из хаотических, дезорганизованных и сильно турбулентных газовых облаков в более ранние эпохи.

Когда газ оседает, новорожденные звезды обычно находятся на все более и более круговых орбитах, в конечном итоге образуя большие спиральные галактики – галактические карусели. Анна-Лиза Пиллепич объясняет: "на практике TNG50 показывает, что наша собственная галактика Млечный Путь с ее тонким диском находится в данный момент в расцвете сил : за последние 10 миллиардов лет, те галактики, которые все еще формируют новые звезды, стали все более дискообразными, и их хаотические внутренние движения значительно уменьшились. Вселенная была гораздо более беспорядочной, когда ей было всего несколько миллиардов лет!”

Взаимодействие газовых потоков и галактик

По мере того как эти галактики сглаживаются, исследователи обнаружили еще одно возникающее явление, касающееся высокоскоростных потоков и ветров газа, вытекающих из галактик. Такие потоки и ветры образуются в результате взрывов сверхновых и активности сверхмассивных черных дыр. Галактические газообразные потоки первоначально также хаотичны и текут во всех направлениях, но со временем они начинают становиться более сфокусированными по пути наименьшего сопротивления. В поздней Вселенной потоки ориентированы внутри двух конических объемов, выходящих из галактики в противоположных направлениях-подобно двум рожкам мороженого, расположенным острие к острию, с галактикой, вращающейся в центре.

Эти ветры замедляются, когда они пытаются покинуть гравитационный колодец ореола темной материи, и в конечном итоге могут остановиться и упасть обратно в галактики, образуя галактический фонтан переработанного газа. Этот процесс перераспределяет газ от центра галактики к ее окраинам, еще больше ускоряя превращение самой галактики в тонкий диск. Галактическая структура формирует галактические фонтаны, и наоборот.

Как и для других моделей семейства TNG, команда ученых, создающих TNG50 (базирующаяся в институтах Макса Планка в Гейдельберге и Гархинге, Гарвардском университете, MIT и CCA), в конечном итоге выпустит все данные моделирования для астрономического сообщества в целом и для общественности. Тогда астрономы всего мира смогут сделать свои собственные открытия во Вселенной TNG50 – и, возможно, найти дополнительные примеры возникающих космических явлений, порядка, возникающего из хаоса.

Оригинал статьи: http://www.mpia.de/5004262/news_publication_14086971_transferred?c=2977291

ЕстествоЗнаніе - увлекательно о наукѣ для всехъ!

Добавить комментарий