Понимать формирование и эволюцию галактик сложно, потому что помимо гравитации здесь задействовано множество различных физических процессов. К ним относятся процессы, связанные с звездообразованием и излучением звезд, а также с охлаждением газа в межзвездной среде, обратной связью от черных дыр, пожирающих материю, магнитными полями, космическими лучами и т. д.
Галактика Млечный Путь как компьютерная симуляция. © Kannan et al. 2020
Чтобы понять взаимодействие между этими процессами и ответить на вопросы, на которые невозможно ответить наблюдением, например, как образовались первые галактики во вселенной астрономы использовали компьютерное моделирование формирования галактик.
Моделирование образования галактик требует последовательного моделирования всех этих различных механизмов одновременно, но краеугольная проблема при этом заключается в том, что каждый из них действует в разном пространственном масштабе. Это делает практически невозможным их одновременное и точное компьютерное моделирование. Например, поток газа из межгалактической среды в галактику простирается на миллионы световых лет. Звездные ветры оказывают влияние на сотни световых лет, а обратная связь от черных дыр и от их аккреционных дисков происходит в масштабе тысячных долей световых лет.
Астрономы Рахул Каннан и Ларс Хернквист из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) вместе со своими коллегами разработали новую структуру моделирования, которая последовательно включает все эти эффекты. В расчетах используется новая рамочная структура для звездной обратной связи, получившая название «Звезды и многофазный газ в галактиках» (SMUGGLE). Она объединяет процессы, связанные с излучением, пылью и газообразным молекулярным водородом (доминирующий компонент межзвездной среды), а также включает тепловое и химическое моделирование. Обратная связь SMUGGLE интегрирована в популярный гидродинамический код AREPO, который моделирует развитие конструкций и имеет дополнительный модуль для реализации радиационных эффектов.
Астрономы использовали симуляцию галактики Млечный Путь, чтобы проверить полученные результаты, и смогли сообщить об очень хорошем совпадении с наблюдениями. Они обнаружили, что эффекты обратной связи излучения, влияющие на скорость звездообразования, довольно просты, по крайней мере, на примере Млечного Пути: Здесь звезды образуются со скоростью 2-3 солнечных масс в год. С другой стороны, астрономы обнаружили, что излучение звезд резко меняет структуру и нагрев межзвездной среды, влияя на распределение горячего, теплого и холодного вещества, что уже отклоняется от подхода простого ожидания.
Программа хорошо работает при моделировании распределения температуры пыли, где ожидается, что теплая пыль будет находиться вблизи областей звездообразования, а холодная пыль (до 10 Кельвинов) располагается дальше. Успех этих новых симуляций побуждает авторов расширять свою работу до моделирования с еще более точным пространственным разрешением.
