Виртуальная «машина вселенной» проливает свет на эволюцию галактик

Как возникают галактики, такие как наш Млечный Путь? Как они растут и меняются со временем? Наука, которая стоит за формированием галактик, остается загадкой на протяжении десятилетий, но команда ученых находится на шаг ближе к поиску ответов благодаря суперкомпьютерным симуляциям.

Об этом рассказывают в Аризонском университете.

Наблюдение за реальными галактиками в космосе может предоставить только моментальные снимки, поэтому исследователи, которые хотят изучить, как развиваются галактики в течение миллиардов лет, должны обратиться к компьютерному моделированию. Традиционно астрономы использовали этот подход для нахождения и испытания новых теорий образования галактик, одной за другой. Питер Бехрози, доцент в Обсерватории Стюарда Аризонского университета и его команда преодолели это препятствие, создав миллионы различных вселенных на суперкомпьютере, каждая из которых подчинялся различным физическим теориям того, как должны образовываться галактики.

Полученные результаты, опубликованные в Ежемесячных сообщениях Королевского астрономического общества (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), ставят под сомнение фундаментальные представления о роли темной материи в формировании галактик, о том, как галактики развиваются с течением времени и как они рожают звезды.

«На компьютере мы можем создать много различных вселенных и сравнить их с фактическими, и это позволяет нам определить, какие правила приводят к тому, что мы видим», - сказал Бехрози, ведущий автор исследования.

Исследованием является первым, создавшим самоорганизующиеся вселенные, которые являются точными копиями реальной: каждая из компьютерных симуляций представляет собой значительную часть реального космоса, содержащий 12 миллионов галактик и охватывает время от 400 миллионов лет после Большого взрыва до наших дней.

Каждая Вселенная "Ex-Machina" (на латыни - «из машины») прошла серию тестов, чтобы оценить, как схожие галактики появились в генерируемой Вселенной по сравнению с настоящей Вселенной. Вселенные, наиболее похожи на нашу собственную, имели подобные основные физические законы, демонстрируя новый мощный подход к изучению образования галактик.

Результаты "Вселенской машины", как называют авторы свой подход, помогли решить давний парадокс того, почему галактики перестают образовывать новые звезды, даже если они содержат много газообразного водорода - сырья, из которого выковываются звезды.

Распространенные представления о том, как галактики образуют звезды, предусматривают сложное взаимодействие между холодным газом, коллапсирующим под действием силы тяжести в плотные карманы, давая начало образованию звезд, в то время как другие процессы противодействуют их образованию.

Например, считается, что большинство галактик содержат в своих центрах сверхмассивные черные дыры. Материя, попадающая в эти черные дыры, излучает огромную энергию, выполняя роль космических паяльных ламп, которые не позволяют газу остыть достаточно, чтобы провалиться в звездные питомники. Так же, этому процессу способствуют звезды, заканчивающие свою жизнь взрывами сверхновой. Темная материя тоже играет большую роль, поскольку она обеспечивает большую часть гравитационной силы, действующей на видимое вещество в галактике, извлекая холодный газ из окружения галактики и нагревая его в процессе.

«Если бы мы вернулись все раньше и раньше во Вселенной, мы ожидали бы, что темная материя будет густой, поэтому газ будет становиться все горячее и горячее. Это плохо для образования звезд, поэтому мы думали, что много галактик в начале Вселенной давно должны были перестать создавать звезды, - сказал Бехрози. - Но мы обнаружили противоположное: галактики данного размера, скорее всего, образуют звезды с большей скоростью, вопреки ожиданию».

Новости по подобной теме:

		Уэбб зондирует галактику с экстремальной вспышкой звездообразования
		"Хаббл" показал галактику под давлением
		Уэбб открыл тайны галактики, одной из самых отдаленных среди когда-либо виденных

Для того, чтобы сопоставить наблюдения с реальными галактиками, объяснил Бехрози, его команде пришлось создать виртуальные вселенные, в которых все было наоборот - вселенные, в которых галактики дольше продолжали создавать звезды.

Если бы, с другой стороны, исследователи создали вселенные, на основе современных теорий образования галактик - вселенных, в которых галактики рано перестали образовывать звезды - эти галактики оказались бы гораздо краснее, чем галактики, которые мы видим на небе.

Галактики выглядят красными по двум причинам. Первая очевидна в природе и связана с возрастом галактики - если в истории Вселенной она сформировалась раньше, она будет удаляться быстрее, перенося свет к красному спектру. Астрономы называют этот эффект красным смещением. Другая причина является внутренней, если галактика перестала создавать звезды, она будет содержать меньше синих звезд, которые, как правило, быстрее вымирают, и останется со старыми, красными звездами.

«Но мы этого не видим, - сказал Бехрози. - Если бы галактики вели себя так, как мы думали, и прекратили образовывать звезды раньше, наша реальная Вселенная была бы совершенно неправильно окрашена. Другими словами, мы вынуждены сделать вывод, что галактики образовывали звезды в более ранние времена более эффективно, чем мы думали. И что это говорит нам, состоит в том, что энергия, созданная сверхмассивными черными дырами и взрывающимися звездами, менее эффективна для подавления звездообразования, чем предсказывали наши теории».

По словам Бехрози, для создания мнимых вселенных беспрецедентной сложности нужен был совершенно новый подход, который не ограничивался вычислительной мощностью и памятью, а также обеспечивал достаточное разрешение, чтобы отбросить масштабы от "маленьких" - индивидуальных объектов, таких как сверхновые - к значительному фрагменту наблюдаемой Вселенной.

«Моделирование одной галактики требует от 10 до 48-х вычислительных операций, - пояснил он. - Все компьютеры на Земле вместе не могли бы этого сделать за сто лет. Поэтому, чтобы просто сымитировать одну галактику, не говоря уже о 12 миллионах, нам пришлось это делать по-другому».

Кроме использования вычислительных ресурсов в исследовательском центре НАСА Эймса и Лейбниц-Рехенцентрума в Гарчинге, Германия, команда использовала суперкомпьютер «Оцелот» в кластере высокоэффективных вычислений Аризонского университета. Две тысячи процессоров обрабатывали данные одновременно в течение трех недель. Во время исследовательского проекта Бехрози и его коллеги создали более 8 миллионов вселенных.

«Мы взяли астрономические наблюдения за последние 20 лет и сравнили их с миллионами воображаемых вселенных, которые мы создали, - пояснил Бехрози. - Мы собрали вместе тысячи фрагментов информации, чтобы увидеть, какие из них совпадают. Была ли нами созданная вселенная правильной? Если нет, мы вернулись бы назад и сделали модификации и еще раз проверили».

Для дальнейшего понимания того, как возникли галактики, Бехрози и его коллеги планируют расширить Машину Вселенной, добавив морфологию отдельных галактик и то, как развиваются со временем их формы.

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

Читайте еще интересные новости о космосе.

• Галактики