Образуването на галактики е сложен танц между материя и енергия, възникващ на сцена на космически пропорции и обхващаща милиарди години. Как многообразието от структурирани и динамични галактики, което наблюдаваме днес, възникна от огнения хаос на Големия взрив остава един от най-трудните неразрешени пъзели на космологията.
В търсене на отговори международен екип от учени създаде най-подробния мащабен модел на Вселената до момента, симулация, която наричат TNG50. Тяхната виртуална Вселена, широка около 230 милиона светлинни години, съдържа десетки хиляди развиващи се галактики с нива на детайлност, наблюдавани преди само в модели с една галактика. Симулацията проследява повече от 20 милиарда частици, представляващи тъмна материя, газове, звезди и свръхмасивни черни дупки за период от 13,8 милиарда години.
Безпрецедентната разделителна способност и мащаб позволиха на изследователите да съберат ключови погледи за миналото на нашата вселена, разкривайки как различни странно оформени галактики се превръщат в съществуване и как звездни експлозии и черни дупки предизвикват тази галактическа еволюция. Резултатите от тях са публикувани в две статии, които ще бъдат представени в броя за декември 2019 г. на списанието Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
TNG50 е най-новата симулация, създадена от проекта IllustrisTNG, който има за цел да изгради цялостна картина как се е развила нашата Вселена след Големия взрив, като произвежда мащабна вселена, без да жертва фините детайли на отделните галактики.
„Тези симулации са огромни набори от данни, където можем да научим тон, като разчленим и разберем образуването и еволюцията на галактиките в тях“, казва Пол Тори, доцент по физика в Университета на Флорида и съавтор на изследването. "Основното ново в TNG50 е, че достигате до достатъчно висока маса и пространствена разделителна способност в галактиките, които ви дават ясна представа за това как изглежда вътрешната структура на системите, тъй като те се формират и развиват."
Вниманието на модела към детайлите идва на известна цена. Симулацията изисква 16 000 процесорни ядра на суперкомпютъра Hazel Hen в Щутгарт, Германия, работещ непрекъснато повече от година. Същото изчисление ще отнеме една изчислителна система за 15 000 години за изчисляване. Въпреки че са една от най-тежко изчислените астрофизични симулации в историята, изследователите смятат, че инвестицията им се е изплатила.
„Числените експерименти от този вид са особено успешни, когато извадите повече, отколкото влагате“, казва в изявление Дилън Нелсън, докторант от Института за астрофизика „Макс Планк“ в Мюнхен, Германия и съавтор на изследването. , "В нашата симулация виждаме явления, които не са били програмирани изрично в симулационния код. Тези явления възникват по естествен начин, от сложното взаимодействие на основните физически съставки на моделната ни вселена."
Този възникващ феномен може да е от съществено значение за разбирането защо нашата Вселена се появява такава, каквато е днес 13,8 милиарда години след Големия взрив. TNG50 позволи на изследователите да видят от първа ръка как може да са се появили галактики от бурните облаци газ, присъстващи малко след раждането на Вселената. Те откриха, че дискообразните галактики, общи за нашия космически квартал, естествено се появиха в рамките на тяхната симулация и създадоха вътрешни структури, включително спираловидни рамена, издутини и пръти, простиращи се от техните централни свръхмасивни черни дупки. Когато сравнявали своята компютърно създадена вселена с реални наблюдения, те установили, че популацията им от галактики е качествено съобразена с реалността.
Докато техните галактики продължиха да се сплескват в добре подредени въртящи се дискове, започна да се появява друго явление. Взривовете на Supernova и свръхмасивните черни дупки в сърцето на всяка галактика създадоха високоскоростни изливания на газ. Тези потоци се преливат във фонтани от газ, издигащи се на хиляди светлинни години над галактика. Влекачът на гравитацията в крайна сметка върна голяма част от този газ обратно към диска на галактиката, преразпределяйки го до външния му край и създавайки цикъл за обратна връзка от изтичането и притока на газ. Освен рециклирането на съставките за образуване на нови звезди, показано е и отливите да променят структурата на своята галактика. Рециклираните газове ускориха превръщането на галактиките в тънки въртящи се дискове.
Въпреки тези първоначални констатации, екипът далеч не е завършил дисекцията на техния модел. Те също планират да публикуват всички данни от симулацията публично за астрономите от цял свят, за да изучат своя виртуален космос.
"Пред нас е огромен път, след като приключихме тези симулации", каза Тори. „Цял екип от изследователи работят за по-доброто разбиране на подробните свойства на галактиките, които се формират и какви възникващи тенденции се показват в тези данни.“
