Ученые представили результаты самого подробного крупномасштабного космологического моделирования, проведенного до сих пор. Полученная модель позволяет детально исследовать, как образуются галактики и как они развивались со времени, наступившего вскоре после Большого взрыва и до наших дней. При этом также были сделаны довольно неожиданные открытия.

Смоделированные образы дисковых галактик из симуляции TNG50 в видимом свете. Каждая галактика показана в двух видах: сверху и сбоку. TNG50 дает возможность получить новое понимание того, как образуются такие дисковые галактики. © D. Nelson (MPA) und das Illustris-TNG-Team

Перед астрономами, выполняющими космологические симуляции, обычно встает вопрос. Смысл его можно изложить так: из-за ограничений доступной вычислительной мощности типичные симуляции до сих пор были способны либо создавать модели с большой детализацией, либо включать значительно больший объем виртуального пространства, но с малой детализацией. Но не оба эти аспекта одновременно. Детальное моделирование с очень ограниченными пространственными объемами не может моделировать более нескольких галактик сразу, что затрудняет статистические выводы. С другой стороны, в крупномасштабных симуляциях обычно не хватает необходимых деталей для объяснения важных свойств в меньших масштабах, которые мы наблюдаем в нашей собственной вселенной - что значительно снижает их предсказательную силу.

И вот теперь впервые в недавно выпущенной модели TNG50 удалось объединить крупномасштабное космологическое моделирование с детальным разрешением «увеличенных» симуляций, которые ранее были возможны только для исследований отдельных галактик. В моделируемом кубовидной фрагменте космоса со сторонами в 230 миллионов световых лет TNG50 может представлять физические явления, происходящие в масштабах, в миллион раз меньших, отслеживая при этом одновременную эволюцию тысяч галактик за 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 проведения вычисления потребовалось 16 тысяч компьютерных ядер на суперкомпьютере Hazel Hen в Штутгарте, и это заняло более одного года чисто вычислительной работы. То есть на одном процессоре это составило бы пятнадцать тысяч лет непрерывных вычислений. TNG50 является на сегодня одним из самых «продвинутых» астрофизических симуляторов.

Среди первых научных результатов TNG50, которые на сегодняшний день опубликованы в двух статьях в научном альманахе Monthly Notices der Royal Astronomical Society командой под руководством доктора Анналиса Пиллепич (Институт астрономии им. Макса Планка, Гейдельберг) и доктора Дилана Нельсона (Институт астрофизики Макса Планка, Гархинг) упоминается несколько крайне неожиданных феноменов. «Цифровые эксперименты такого рода воспринимаются особенно успешно, когда получаешь больше, чем в них вкладываешь», - говорит Нельсон. - «В нашей симуляции мы наблюдаем явления, которые мы запрограммировать не могли никак. Эти явления естественным образом возникают в результате взаимодействия фундаментальных физических компонентов смоделированной нами вселенной».

TNG50 предоставляет два впечатляющих примера такого «производного» поведения. Первый пример касается образования дисковых галактик, подобных нашему Млечному Пути. Используя TNG50 в качестве машины времени, исследователи смогли перемотать космическую историю и затем систематически наблюдать, как быстро вращающиеся дисковые галактики с их упорядоченными звездными движениями (которые довольно распространены в нашей космической среде) возникают из хаотических, неупорядоченных и сильно турбулентных газовых облаков ранних эпох. Постепенно газ приходит в состояние покоя, и звезды, которые возникают из этого газа, все чаще встречаются на круговых орбитах и, наконец, образуют большую спиральную галактику в виде некой галактической карусели.

«TNG50 показывает, что наша собственная галактика Млечный Путь с ее тонким диском полностью соответствует тренду: за последние 10 миллиардов лет, по крайней мере, те галактики, где образуются новые звезды, становились все более похожими на диски, а их хаотические внутренние модели движения значительно ослабевали. Вселенная, когда ей было всего несколько миллиардов лет, была намного более хаотичной, чем сейчас!», - говорит Пиллепич.

Также астрономы обнаружили в моделируемой эволюции галактик возникновение еще одного явления: ветры из 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 - возникает совершенно хаотическая ситуация.

Но со временем, и это не было запрограммировано при подготовке моделирования заранее, газовые токи вступают на путь наименьшего сопротивления. В поздней Вселенной газ обычно излучается в двух противоположных направлениях внутри конических областей, которые выглядят как два конуса мороженого, расположенных по сторонам в начале и в конце, с галактикой посередине. Такие структуры также можно найти и в данных астрономических наблюдений.

Под действием гравитационного влияния ореола темной материи, в которой находится галактика, эти ветры становятся все медленнее и медленнее. Подобно воде фонтана, они могут возвращаться к первоначальной галактике и снабжать ее переработанным газом. Этот процесс также перераспределяет газ из центра галактики на ее окраину, ускоряя превращение галактики в тонкий диск: галактические структуры создают галактические фонтаны и наоборот.

Как и в случае с другими симуляторами семейства TNG, ученые команды TNG50 (которые работают в Институтах Макса Планка в Гейдельберге и Гархинге, в Гарвардском университете, в Массачусетском технологическом институте и в CCA) опубликуют данные симуляции со временем (после обработки данных) в полном объеме. И тогда астрономы во всем мире смогут сделать и свои собственные открытия во вселенной TNG50 - и, возможно, найдут другие примеры возникающих космических явлений, где порядок возникает из хаоса ранней вселенной в космических масштабах.