Астрономы построили самую подробную компьютерную модель Вселенной

Модель рождения скопления галактик. Белым обозначена тёмная материя, красным - обычный газ.

Иллюстрация TNG Collaboration.

Крупномасштабная структура Вселенной по данным моделирования. Красным показаны центры массивных скоплений галактик.

Иллюстрация TNG Collaboration.

Международная команда учёных построила самую детальную на сегодняшний день крупномасштабную модель Вселенной. Целый год работы суперкомпьютера позволил с беспрецедентной точностью рассчитать, как возникли и развивались галактики.

Результаты этой работы описаны в двух научных статьях, опубликованных в журнале PNAS. В первой авторы сконцентрировались на вкладе сверхновых и сверхмассивных чёрных дыр в процесс образования галактик, а во второй рассмотрели другие аспекты этого явления.

Построенная авторами модель, получившая обозначение TNG50, – третья и пока последняя, созданная в рамках проекта IllustrisTNG. Это начинание преследует амбициозную цель: как можно точнее смоделировать возникновение крупномасштабной структуры Вселенной, не пренебрегая при этом деталями строения галактик.

"Эти симуляции представляют собой огромные наборы данных, благодаря которым мы можем многому научиться, анализируя и понимая образование и эволюцию [моделируемых] галактик внутри них, – рассказывает Пол Торри (Paul Torrey) из Университета Флориды, соавтор обеих публикаций. – Что принципиально нового в TNG50, так это то, что мы получаем достаточно высокое массовое и пространственное разрешение внутри галактик, которое даёт нам чёткое представление о том, как выглядит внутренняя структура [звёздных] систем по мере их формирования и развития".

Модель призвана ответить на вопрос, как возникло нынешнее разнообразие галактик. Он считается одним из самых сложных в современной космологии.

TNG50 – это виртуальная вселенная размером около 230 миллионов световых лет, насчитывающая десятки тысяч галактик. Для сравнения: реальный диаметр Галактики составляет примерно 100 тысяч световых лет, типичные расстояния между соседними звёздными системами – несколько миллионов световых лет, а диаметр видимой Вселенной – порядка ста миллиардов световых лет.

Астрономам известны сотни миллиардов галактик, а по некоторым подсчётам, их общее количество (включая пока недоступные для существующих телескопов) в наблюдаемой Вселенной достигает триллионов. Таким образом, новая модель охватывает лишь малую часть обозримого космоса. В то же время она достаточно масштабна, чтобы воспроизвести массовое образование галактик и составленных из них структур.

При этом исследователи достигли детализации, которая ранее была возможна лишь при моделировании отдельных галактик, а никак не десятков тысяч таких систем. Минимальный размер деталей, различимых в рамках модели, составлял всего 230–450 световых лет. Вещество, включая тёмную материю, было разбито более чем на 20 миллиардов отдельных блоков, которые могли двигаться и взаимодействовать друг с другом. Учитывалась не только гравитация, но и электромагнитные силы, действующие на плазму в магнитном поле.

Крупномасштабная структура Вселенной по данным моделирования. Красным показаны центры массивных скоплений галактик.

Столь масштабные расчёты потребовали более года непрерывной работы суперкомпьютера Hazel Hen, оснащённого 16 тысячами процессорных ядер. На одноядерной системе вроде обычного ноутбука процесс занял бы 15 тысяч лет (!). Это было одно из самых масштабных астрофизических моделирований в истории.

Но результат оправдал вложения. TNG50 позволила учёным буквально увидеть, как галактики появляются из облаков газа, сгустившихся вскоре после Большого взрыва. Исследователи отследили, как будущие звёздные системы принимают типичную дискообразную форму. Модель воспроизвела процесс образования спиральных рукавов, балджей и других деталей. Результат моделирования достаточно хорошо, хотя и не идеально, согласовывался с реальными астрономическими наблюдениями.

"Численные эксперименты такого рода особенно успешны, когда мы получаем больше, чем вкладываем, – объясняет соавтор обеих статей Дилан Нельсон (Dylan Nelson) из Института астрофизики Общества Макса Планка. – В нашем моделировании мы видим явления, которые не были явно запрограммированы в коде модели. Эти явления возникают естественным образом из сложного взаимодействия основных физических компонентов нашей модельной вселенной".

Например, авторы обнаружили такой феномен. Активность сверхмассивных чёрных дыр и взрывы сверхновых создавали скоростные потоки газа, покидающего звёздную систему. Струи вещества вытягивались на тысячи световых лет за пределы родительской галактики, но гравитация в конце концов притягивала большую часть газа обратно. Получался своего рода космический фонтан. При этом вещество выбрасывалось из плотного центра звёздной системы и оседало на её бедных веществом окраинах. Такое перераспределение массы ускоряло превращение галактики в плоский диск.

Учёные подчёркивают, что анализ полученных данных далеко не закончен. Кроме того, авторы планируют разместить все результаты расчётов в открытом доступе, чтобы ими могли воспользоваться астрономы всего мира.

"Теперь, когда мы завершили эти симуляции, нам предстоит огромный путь, – резюмирует Торри. – Целая команда исследователей работает над тем, чтобы лучше понять детальные свойства галактик, которые формируются [в модели], и установить, какие новые тенденции проявляются в этих данных".

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о предыдущих работах по моделированию глобальных космологических процессов, выполненных разными научными группами.