Симуляция показывает, как из хаоса в космосе возник порядок.
При космологическом моделировании астрофизикам приходится выбирать доступную вычислительную мощность: либо моделировать очень детально, либо включать большой объем виртуального пространства, но не оба. Детальное моделирование с очень ограниченными объемами не может моделировать более нескольких галактик, что затрудняет статистические выводы.
С другой стороны, в крупномасштабных симуляциях обычно не хватает необходимых деталей для объяснения важных свойств в меньших масштабах. Ученые из Германии и США представили результаты нового, особенно всеобъемлющего моделирования эволюции галактик. TNG50 - самая детальная космологическая симуляция на данный момент. Это позволяет детально исследовать Как образуются галактики и как они эволюционировали со времени вскоре после Большого взрыва до наших дней. Моделирование впервые показывает, что геометрия потоков космического газа в галактиках и вокруг них влияет на структуру галактик, и, наоборот, свойства этих потоков газа, в свою очередь, являются результатом эволюции галактик.
В моделируемом кубическом разрезе Вселенной длиной 230 миллионов световых лет TNG50 может представлять собой физические явления, которые происходят в миллион раз меньших масштабах, отслеживая одновременное развитие тысяч галактик в течение 13,8 миллиардов лет космической истории. Основными элементами моделирования являются 20 миллиардов «частиц», представляющих темную материю, звезды, космический газ, магнитные поля и сверхмассивные черные дыры. Для самого расчета потребовалось 16 000 компьютерных ядер на суперкомпьютере Hazel Hen в Штутгарте, который работал больше года.
Среди первых научных результатов TNG50 некоторые неожиданные явления. "Численные эксперименты такого рода особенно успешны, когда выходит больше, чем вы положили в него", - говорит Дилан Нельсон из MPI по астрофизике. "В нашей симуляции мы видим явления,которые мы явно не запрограммировали. Эти явления естественным образом вытекают из взаимодействия основных физических составляющих нашей модельной Вселенной."
TNG50 предоставляет два впечатляющих примера этого типа возникающего поведения. Первый пример касается формирования дисковых галактик, подобных нашему Млечному Пути. Используя TNG50, исследователи смогли перемотать космическую историю и затем систематически наблюдать, как быстро вращающиеся дисковые галактики с их упорядоченными звездными движениями возникают из хаотических, неупорядоченных и высокотурбулентных газовых облаков более ранних эпох. Постепенно газ останавливается, и звезды, которые возникают из этого газа, таким образом, все чаще встречаются на круговых орбитах и, наконец, образуют большую спиральную галактику в виде некой галактической карусели.
"TNG50 показывает, что наша тонкая галактика в полном разгаре", - говорит Анналиса Пиллепич из MPI по астрономии. "За последние десять миллиардов лет, по крайней мере, те галактики, в которых рождаются новые звезды, становились все более похожими на диски, и их хаотические внутренние модели движения значительно ослабли. Вселенная была намного более хаотичной, чем сегодня, когда ей было всего несколько миллиардов лет".
И ученые определили еще одно возникающее явление в моделируемой эволюции галактик: ветры газа и частиц, которые вытекают из галактик с высокой скоростью. Это явление вызвано взрывами сверхновых и активностью сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Газ покидает галактику в любом направлении - хаотическая ситуация. Но со временем, и это не было запрограммировано заранее, газовые токи вступают на путь наименьшего сопротивления. В поздней Вселенной газ обычно излучается в двух противоположных направлениях внутри конических областей с галактикой посередине. Такие структуры также можно найти в данных астрономических наблюдений.
Затем под гравитационным воздействием ореола темной материи, в котором находится галактика, эти ветры становятся все медленнее и медленнее. Вы можете вернуть их в исходную галактику и обеспечить их переработанным газом. Этот процесс также обеспечивает перераспределение газа из центра галактики в ее окраины, тем самым ускоряя превращение галактики в тонкий диск: галактические структуры создают галактические фонтаны, и наоборот.
Как и другие симуляции семейства TNG, ученые команды TNG50 скоро опубликуют свои данные симуляции в целом. Тогда астрономы всего мира могут сделать свои собственные открытия во вселенной TNG50 - и, возможно, найти другие примеры возникающих космических явлений, где порядок возникает в космических масштабах величины из хаоса ранней вселенной.