Віртуальна «машина всесвіту» проливає світло на еволюцію галактик

Як виникають галактики, такі як наш Чумацький Шлях? Як вони ростуть і змінюються з часом? Наука, що стоїть за формуванням галактик, залишається загадкою протягом десятиліть, але команда вчених знаходиться на крок ближче до пошуку відповідей завдяки суперкомп’ютерним симуляціям.

Про це розповідають в Аризонському універститеті.

Спостереження за реальними галактиками в космосі може надати лише моментальні знімки, тому дослідники, які хочуть вивчити, як розвиваються галактики протягом мільярдів років, повинні звернутися до комп'ютерного моделювання. Традиційно астрономи використовували цей підхід для винайдення та випробування нових теорій утворення галактик, однієї за другою. Пітер Бехрозі, доцент в Обсерваторії Стюарда Аризонського університету та його команда подолали цю перешкоду, створивши мільйони різних всесвітів на суперкомп'ютері, кожна з яких підпорядковувався різним фізичним теоріям того, як мають утворюватися галактики.

Отримані результати, опубліковані в Щомісячних повідомленнях Королівського астрономічного товариства (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), ставлять під сумнів фундаментальні уявлення про роль темної матерії у формуванні галактик, про те, як галактики розвиваються з часом та як вони народжують зірки.

«На комп'ютері ми можемо створити багато різних всесвітів і порівняти їх з фактичними, і це дозволяє нам визначити, які правила призводять до того, що ми бачимо», - сказав Бехрозі, провідний автор дослідження.

Дослідженням є першим, яке створило самоузгоджені всесвіти, які є такими точними копіями реального: кожна з комп’ютерних симуляцій представляє собою значну частину реального космосу, що містить 12 мільйонів галактик і охоплює час від 400 мільйонів років після Великого вибуху до наших днів.

Кожен Всесвіт "Ex-Machina" (на латині – «з машини») пройшов серію тестів, щоб оцінити, як схожі галактики з'явилися в генерованому Всесвіті порівняно зі справжнім Всесвітом. Всесвіти, найбільш схожі на наш власний, мали подібні основні фізичні закони, демонструючи новий потужний підхід до вивчення утворення галактик.

Результати "Вселенської машини", як називають автори свій підхід, допомогли вирішити давній парадокс того, чому галактики перестають утворювати нові зірки навіть тоді, коли вони містять багато газоподібного водню – сировини, з якої виковуються зірки.

Розповсюджені уявлення про те, як галактики утворюють зірки, передбачають складну взаємодію між холодним газом, що колапсує під дією сили тяжіння в щільні кишені, даючи початок утворенню зірок, у той час як інші процеси протидіють їх утворенню.

Наприклад, вважається, що більшість галактик містять у своїх центрах надмасивні чорні діри. Матерія, що потрапляє в ці чорні діри, випромінює величезну енергію, виконуючи роль космічних паяльних ламп, які не дозволяють газу охолонути достатньо, щоб провалитися в зоряні розплідники. Так само, цьому процесу сприяють зірки, що закінчують своє життя вибухами наднової. Темна матерія теж відіграє велику роль, оскільки вона забезпечує більшу частину гравітаційної сили, що діє на видиму речовину в галактиці, витягуючи холодний газ з оточення галактики і нагріваючи його в процесі.

«Якщо б ми повернулися все раніше й раніше у Всесвіті, ми очікували б, що темна матерія буде густішою, а тому газ ставатиме все гарячішим і гарячішим. Це погано для утворення зірок, тому ми думали, що багато галактик на початку Всесвіту давно повинні були перестати утворювати зірки, - сказав Бехрозі. - Але ми виявили протилежне: галактики даного розміру, швидше за все, утворюють зірки з більшою швидкістю, всупереч очікуванню».

Для того, щоб зіставити спостереженням з реальними галактиками, пояснив Бехрозі, його команді довелося створити віртуальні всесвіти, у яких все було навпаки - всесвіти, в яких галактики довше продовжували утворювати зірки.

Якщо б, з іншого боку, дослідники створили всесвіти, на основі сучасних теорій утворення галактик – всесвітів, в яких галактики рано перестали утворювати зірки - ці галактики виявилися б набагато червонішими, ніж галактики, які ми бачимо на небі.

Галактики виглядають червоними з двох причин. Першою є очевидною в природі і пов'язане з віком галактики - якщо в історії Всесвіту вона сформувалася раніше, вона буде віддалятися швидше, переносячи світло до червоного спектру. Астрономи називають цей ефект червоним зміщенням. Інша причина є внутрішньою: якщо галактика перестала утворювати зірки, вона буде містити менше синіх зірок, які, як правило, швидше вимирають, і залишиться зі старими, червонішими зірками.

«Але ми цього не бачимо, - сказав Бехрозі. - Якби галактики поводилися так, як ми думали, і припинили утворювати зірки раніше, наш реальний Всесвіт був би зовсім неправильно забарвлений. Іншими словами, ми змушені зробити висновок, що галактики утворювали зірки в ранішні часи більш ефективно, ніж ми думали. І що це говорить нам, полягає в тому, що енергія, створена надмасивними чорними дірами та вибухаючими зірками, є менш ефективною для придушення зореутворення, ніж передбачали наші теорії».

За словами Бехрозі, для створення удаваних всесвітів безпрецедентної складності потрібен був абсолютно новий підхід, який не обмежувався обчислювальною потужністю і пам'яттю, а також забезпечував достатню роздільну здатність, щоб відкинути масштаби від "маленьких" - індивідуальних об'єктів, таких як наднові - до значного фрагмента спостережуваного Всесвіту.

«Моделювання однієї галактики вимагає від 10 до 48-х обчислювальних операцій, - пояснив він. - Усі комп'ютери на Землі разом не могли б цього зробити за сто років. Тож аби просто зімітувати одну галактику, не кажучи вже про 12 мільйонів, нам довелося це робити по-іншому».

Окрім використання обчислювальних ресурсів у дослідницькому центрі НАСА Еймса та Лейбніц-Рехенцентрума у Гарчінгу, Німеччина, команда використовувала суперкомп'ютер «Оцелот» у кластері високоефективних обчислень Аризонського університету. Дві тисячі процесорів обробляли дані одночасно протягом трьох тижнів. Під час дослідницького проекту Бехрозі та його колеги створили понад 8 мільйонів всесвітів.

«Ми взяли астрономічні спостереження за останні 20 років і порівняли їх з мільйонами уявних всесвітів, які ми створили, - пояснив Бехрозі. - Ми зібрали разом тисячі фрагментів інформації, щоб побачити, які з них співпадають. Чи був нами створений всесвіт правильним? Якщо ні, ми б повернулися назад і зробили модифікації та ще раз перевірили».

Для подальшого розуміння того, як виникли галактики, Бехрозі та його колеги планують розширити Машину Всесвіту, додавши морфологію окремих галактик і те, як розвиваються з часом їх форми.

Фото: NASA, ESA, and J. Lotz and the HFF Team/STScI

Читайте ще цікаві новини про космос.