Физики сделали самое детальное моделирование Вселенной

Это огромное моделирование настолько сложно, что ученые наблюдали явления, которые не были запрограммированы явно в коде.

Как Вселенная эволюционировала из особой точки, известной как Большой Взрыв, в массивную структуру, границы которой кажутся безграничными? Новые подсказки и понимание эволюции Вселенной были недавно предоставлены международной группой физиков, которая выполнила самое подробное крупномасштабное моделирование Вселенной на сегодняшний день.

Исследователи создали свою собственную Вселенную в коробке – куб пространства, охватывающий более 230 миллионов световых лет. Предыдущие космологические симуляции были либо очень подробными, но охватывали небольшой объем или менее подробными, но с большим объемом. Новая симуляция, известная как TNG50, смогла объединить лучшее из двух миров, создавая масштабную копию космоса, в то же время обеспечивая беспрецедентное вычислительное разрешение.

Уровень детализации невероятен и соответствует тому, что когда-то было возможно сделать только при моделировании отдельных галактик. Фактически, TNG50 отслеживает 20 миллиардов частиц, представляющих темную материю, звезды, космический газ, магнитные поля и сверхмассивные черные дыры.

Однако, такие мелкие детали стоили дорого. Потребовалось более 16 000 ядер на суперкомпьютере Hazel Hen в Штутгарте, работающем без перерыва в течение года, чтобы выполнить необходимые вычисления. Для справки, это заняло бы 15 000 лет, чтобы завершить моделирование на одном процессоре, что сделало TNG50 одним из самых требовательных в вычислительном отношении астрофизических моделей на сегодняшний день.

В двух недавно опубликованных исследованиях, проведенных Анналисой Пиллепих и Диланом Нельсоном, из Института астрономии Макса Планка и Института астрофизики Макса Планка, соответственно, исследователи поделились своими наиболее важными результатами.

«Численные эксперименты такого рода особенно успешны, когда вы получаете больше, чем вкладываете. В нашем моделировании мы видим явления, которые не были запрограммированы явно в коде моделирования. Эти явления возникают естественным образом из сложного взаимодействия основных физических компонентов нашей модельной вселенной», – говорится в заявлении Нельсона.

Одним из примеров такого возникающего поведения может служить образование «дисковых» галактик, подобных Млечному Пути. В то время как дисковые галактики кажутся очень упорядоченными и плоскими, переворачивая их эволюцию, исследователи могли видеть, что такие структуры возникают из хаотических и неорганизованных турбулентных газовых облаков.

«На практике TNG50 показывает, что наша собственная галактика Млечный путь с ее тонким диском находится на пике моды галактик: за последние 10 миллиардов лет, по крайней мере, те галактики, которые все еще образуют новые звезды, становятся все более и более похожими на диски, и их хаотические внутренние движения значительно уменьшились. Вселенная была намного более грязной, когда ей было всего несколько миллиардов лет!», – Пиллепих сказала в заявлении.

Другое возникающее явление, зафиксированное моделированием, было представлено высокоскоростными потоками и ветрами газа, исходящими из галактик. Эти истечения и ветра являются результатом сверхновых и сверхмассивной активности черной дыры.

Эти галактические потоки были изначально хаотичными – как и ранние галактические структуры – но со временем они стали более сосредоточенными на путях наименьшего сопротивления. В современной вселенной эти ветры замедляются по мере того, как они удаляются от гравитационного колодца гало темной материи, и могут в конечном итоге заглохнуть и упасть на свои родительские галактики. Астрономы сравнивают процесс с галактическим фонтаном из переработанного газа.

В результате этого процесса газ перераспределяется из центра галактики на ее окраины. Со временем это способствует превращению галактики в тонкий диск. Но это также может работать в обоих направлениях: галактические структуры также формируют галактические фонтаны. В будущем астрономы передадут все данные симуляции научному сообществу в целом, чтобы новые открытия могли появиться во вселенной TNG50.

Эти два исследования были опубликованы в декабрьском выпуске Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

DOI: 10.1093/mnras/stz2338

Вас также может заинтересовать:

3D-карта показывает, что мы живем в искривленной и перекрученной галактике