Ученые создали самую детальную модель Вселенной в истории
Образование галактик — это сложный танец материи и энергии, происходящий на сцене космических масштабов и охватывающий миллиарды лет. То, как разнообразие структурированных и динамичных галактик, которые мы наблюдаем сегодня, возникло из огненного хаоса Большого взрыва, остается одной из самых трудных нерешенных загадок космологии.
В поисках ответов международная команда ученых создала самую детальную крупномасштабную модель Вселенной на сегодняшний день — симуляцию, которую они назвали TNG50. Их виртуальная Вселенная, шириной около 230 миллионов световых лет, содержит десятки тысяч развивающихся галактик с уровнями детализации, которые ранее наблюдались только в моделях с одной галактикой. При моделировании отслеживалось более 20 миллиардов частиц, представляющих собой темную материю, газ, звезды и сверхмассивные черные дыры, и все это на протяжении 13.8 миллиардов лет.
Беспрецедентное разрешение и масштаб позволили исследователям собрать ключевые сведения о прошлом нашей собственной Вселенной, показав, как галактики получили свои необычные формы и как звездные взрывы и черные дыры вызвали эту галактическую эволюцию. Результаты моделирования описаны в двух статьях, которые будут опубликованы в номере журнала Monthly Notices of the Royal Astronomical Society за декабрь 2019 года.
TNG50 — это новейшая симуляция, созданная в рамках проекта IllustrisTNG, целью которого является построение полной картины того, как наша Вселенная развивалась со времен Большого взрыва, путем создания крупномасштабной виртуальной Вселенной без ущерба для мелких деталей отдельных галактик.
Часть симуляции Вселенной. Красные области — горячие центры скопления галактик.
«Эта симуляция представляет собой огромный набор данных, разбирая который мы можем многому научиться, анализируя и понимая образование и эволюцию галактик внутри нее», — сказал Пол Торри, доцент физики в Университете Флориды и соавтор исследования. «Что принципиально нового в TNG50, так это то, что вы получаете достаточно высокое массовое и пространственное разрешения в галактиках, которые дают вам четкое представление о том, как выглядит внутренняя структура систем по мере их формирования и развития».
Такое внимание к деталям в симуляции обошлось недешево. Для моделирования потребовалось 16 000 процессорных ядер суперкомпьютера Hazel Hen в Штутгарте, Германия, работающих непрерывно более года. Для сравнения, мощный домашний компьютер справится с теми же вычислениями лишь за пару десятков тысяч лет. Несмотря на то, что это одна из самых вычислительно тяжелых астрофизических симуляций в истории, исследователи считают, что их инвестиции окупились.
«Численные эксперименты такого рода особенно успешны, когда вы получаете больше, чем вкладываете», — сказал в своем заявлении Дилан Нельсон, научный сотрудник Института астрофизики им. Макса Планка в Мюнхене, Германия, и соавтор исследования. «В нашем моделировании мы видим явления, которые не были явно запрограммированы в коде симуляции. Эти явления возникают естественным образом, в результате сложного взаимодействия основных физических компонентов нашей модели Вселенной».
Эти возникающие явления могут иметь важное значение для понимания того, почему наша Вселенная сейчас, спустя 13.8 миллиардов лет после Большого взрыва, выглядит именно так и никак иначе. TNG50 позволила исследователям воочию увидеть, как галактики возникают из турбулентных облаков газа, присутствующих вскоре после рождения Вселенной.
Они обнаружили, что дискообразные галактики, которых много в нашем ближайшем космическом соседстве, естественным образом возникали в рамках их моделирования и создавали внутренние структуры, включая спиральные рукава, выпуклости и джеты, простирающиеся от их центральных сверхмассивных черных дыр. Когда они сравнили свою компьютерную Вселенную с реальными наблюдениями, то обнаружили, что их популяция галактик качественно согласуется с реальностью.
По мере того, как смоделированные галактики начали превращаться в хорошо упорядоченные вращающиеся диски, стало проявляться еще одно явление. Взрывы сверхновых и сверхмассивные черные дыры в центре каждой галактики создавали высокоскоростные потоки газа. Эти потоки превращались в фонтаны газа, поднимающиеся на тысячи световых лет над галактикой.
Смоделированное рождение скопления галактик, в котором структуры темной материи (белого цвета) сливаются воедино, в то время как сверхмассивные черные дыры и сверхновые выбрасывают в пространство газ (его движение показано красным).
Гравитационное притяжение в конце концов вернуло большую часть этого газа обратно на галактический диск, перераспределив его к внешнему краю и создав обратную петлю оттока и притока газа. Помимо переработки ингредиентов для формирования новых звезд, было также показано, что отток газа изменяет структуру галактик. Рециркулированные газы ускоряли превращение галактик в тонкие вращающиеся диски.
Несмотря на эти первоначальные выводы, команда еще далека от завершения анализа своей модели. Они также планируют опубликовать все данные моделирования для астрономов всего мира, чтобы они могли изучить их виртуальную Вселенную.
«Теперь, когда мы завершили наше моделирование, нам предстоит пройти огромный путь», — сказал Торри. «Целая команда исследователей работает над тем, чтобы лучше понять детальные свойства формирующихся виртуальных галактик и объяснить эволюцию нашей реальной Вселенной».
Источник
Астрофизики представили самую реалистичную компьютерную модель Вселенной
Новости партнеров
Новейшие вычислительные методы позволили создать самую реалистичную модель Вселенной. Инструмент дает важную информацию о том, как черные дыры влияют на распределение темной материи, как тяжелые элементы производятся и распространяются по всему космосу и откуда возникают магнитные поля. Результаты работы представлены серией статей в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Новая компьютерная модель получила обозначение IllustrisTNG. Она является усовершенствованным преемником Illustris и была разработана астрофизиками из Гейдельбергского университета (Германия), институтов Астрономии и Астрофизики Макса Планка (Германия), Гарвардского университета (США), Массачусетского технологического института (США) и Центра вычислительной астрофизики (США).
IllustrisTNG стала самым продвинутым симулятором такого рода.
Детали и масштаб моделирования позволяют изучать формирование, развитие и рост галактик, учитывая процесс звездообразования. «Когда мы наблюдаем галактики с помощью телескопа, мы можем раскрыть лишь некоторые их свойства. С помощью моделирования перед нами открываются все их характеристики. При этом мы можем проследить весь жизненный цикл галактики, вплоть до ее рождения», – рассказывает Шай Генель, участник проекта из Центра вычислительной астрофизики.
Сопоставление путей эволюции галактик в симуляции дает представление о том, как мог выглядеть Млечный Путь в эпоху формирования Земли, и как он изменится в будущем.
Моделирование реалистичной Вселенной
IllustrisTNG, в отличие от предшественника, учитывает физические процессы, которые играют решающую роль в формировании и эволюции галактик.
Как и в Illustris, проект моделирует кубическую Вселенную. На этот раз ученые воссоздали образование миллионов галактик в регионе, каждая из сторон которого простирается почти на 1 миллиард световых лет.
Космическая сеть газа и темной материи, созданная IllustrisTNG, формирует галактики очень похожие на реальные по форме и размеру. Впервые гидродинамическое моделирование позволило создать подробную картину кластеризации галактик, при этом демонстрируя высокую степень реализма.
Кроме того, IllustrisTNG предсказывает, как космическая паутина изменяется со временем. «Особенно увлекательно, что мы можем точно предсказать влияние сверхмассивных черных дыр на распределение вещества в больших масштабах. Это важно для верного толкования предстоящих космологических измерений», – говорит Волкер Спрингел из Гейдельбергского университета.
Всплеск звездообразования и сверхмассивные черные дыры
Новая симуляция также смогла продемонстрировать влияние черных дыр на галактики. Звездообразующие галактики ярко сияют в синем свете молодых звезд, пока внезапный эволюционный сдвиг не прекратит рождение новых светил.
«Единственными физическими объектами в нашей симуляции, способными потушить звездообразование в больших эллиптических галактиках, являются сверхмассивные черные дыры в их центрах. Сверхбыстрые выбросы этих гравитационных ловушек, частицы в которых разгоняются до 10 процентов от скорости света, оказывают разрушительное влияние на гигантские звездные системы», – объяснил Дилан Нельсон из Института астрофизики Макса Планка.
Образование больших галактик
IllustrisTNG помогает лучше понять процесс формирования галактик. Теоретики предсказывают, что сначала должны образовываться маленькие галактики, а затем под действием силы притяжения они сливаются и образуют большие структуры. Многочисленные столкновения буквально раздирают некоторые из них и разбрасывают их звезды на широкие орбиты вокруг вновь созданных галактик, что должно давать им слабое фоновое сияние звездного света. Эти предсказанные ореолы очень трудно наблюдать из-за их низкой яркости, но IllustrisTNG смог точно имитировать то, что нужно искать астрономам.
«Наши прогнозы теперь могут систематически проверяться наблюдателями. Симуляция провела важное испытание иерархической концепции формирования галактик», — заключила Анналиса Пиллепич, исследователь из Института астрономии Макса Планка.
Источник
Крупномасштабная структура Вселенной
Крупномасштабная структура Вселенной напоминает систему прожилок и волокон, разделенных пустотами
Крупномасштабная структура Вселенной – космологический термин, обозначающий структуру распределения вещества во Вселенной на наибольших видимых масштабах.
Некоторые основные составляющие элементы Вселенной
Примером простейшей структуры в космическом пространстве является система планета-спутник. Кроме двух ближайших к Солнцу планет (Меркурий и Венера), все остальные имеют своего спутника, и в большинстве случаев даже не одного. Если Землю сопровождает лишь Луна, то вокруг Юпитера вращается целых 67 спутников, хотя некоторые из них довольно малы. Однако вместе со своими спутниками планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца, образуя так называемую планетную систему.
В результате наблюдений, астрономами было выявлено, что большинство других звезд также входят в состав планетных систем. Вместе с тем сами светила тоже зачастую образовывают системы и скопления, которые назвали звездными. Согласно имеющимся данным, преобладающая часть звезд составляют парные звездные системы, или с кратным количеством светил. В этом плане наше Солнце считается нетипичным, так как оно не имеет пары
Если же рассматривать околосолнечное пространство в более увеличенных масштабах, то становится очевидно, что все звездные скопления вместе со своим планетными системами образуют звездный остров, так называемую галактику Млечный Путь.
История изучения структуры Вселенной
Разнообразные галактики, открытые в рамках проекта SINGS. Смотреть в полном размере.
Впервые об идее крупномасштабной структуры Вселенной задумался выдающийся астроном Уильям Гершель. Именно ему принадлежат такие открытия как обнаружение планеты Уран и двух ее спутников, двух спутников Сатурна, открытие инфракрасного излучения и идея о движении Солнечной системы сквозь космическое пространство. Самостоятельно сконструировав телескоп и проведя наблюдения, он выполнил объемные подсчеты светил различной яркости в определенных областях небосвода и пришел к выводу, что в космическом пространстве существует большое множество звездных островов.
Позже, в начале ХХ-го века американский космолог Эдвин Хаббл смог доказать принадлежность некоторых туманностей к структурам, отличным от Млечного Пути. То есть было достоверно известно, что за пределами нашей галактики также существуют различные звездные скопления. Исследования в этом направлении вскоре значительно расширили наше понимание Вселенной. Оказалось, что помимо Млечного Пути в космическом пространстве существуют десятки тысяч иных галактик. В попытке составить какую-нибудь упрощенную карту видимой Вселенной ученые наткнулись на тот примечательный факт, что галактики в пространстве распределены неравномерно и составляют собою иные структуры немыслимых размеров.
Скопление галактик в созвездии Гидра
Крупномасштабная структура Вселенной
Со временем ученые обнаружили, что галактики-одиночки – достаточно редкое явление во Вселенной. Подавляющая же часть галактик образуют крупномасштабные скопления, которые могут быть различных форм и включать в себя две галактики или кратное число, вплоть до нескольких тысяч. Помимо огромных звездных островов эти массивные звездные структуры включают еще и скопления газа, разогретого до высоких температур. Несмотря на очень низкую плотность (в тысячи раз меньше, нежели в солнечной атмосфере), масса этого газа может значительно превышать суммарную массу всех звезд в некоторых совокупностях галактик.
Полученные результаты наблюдений и расчетов навели ученых на мысль о том, что скопления галактик также могут образовывать иные более крупные структуры. Вслед за этим стали два интригующих вопроса: если сама по себе галактика, сложная структура, является частью некой более масштабной конструкции, то может ли эта конструкция быть составной чего-нибудь еще большего? И, в конце концов, есть ли предел такой иерархичной структурности, когда каждая система входит в состав другой?
Галактические стены напоминают сплетения нейронов в коре головного мозга человека
Положительный ответ на первый вопрос подтверждается наличием сверхскоплений галактик, которые в свою очередь перерастают галактические нити, или как их иначе называют «стены». Их толщина в среднем около 10 млн. св. лет, а длина 160 — 260 млн. световых лет. Однако, отвечая на второй вопрос, следует отметить, что сверхскопления галактик не являются некой обособленной структурой, а лишь более плотные участки галактических стен. Поэтому сегодня ученые уверены в том, что именно галактические нити (стены), наибольшие космические структуры, вмесите с войдами (пустым пространством, свободным от звездных скоплений) формируют волокнистую или ячеистую структуру Вселенной.
Положение Земли во Вселенной
Несколько отходя от темы, укажем положение нашей планеты в столь сложной структуре:
- Планетарная система: Солнечная
- Местное межзвёздное облако
- Галактический рукав Ориона
- Галактика: Млечный Путь
- Скопление галактик: Местная группа
- Сверхскопление галактик: Местное сверхскопление (Девы)
- Сверхскопление галактик: Ланиакея
- Стена: Комплекс сверхскоплений Рыб-Кита
Современные результаты исследований утверждают, что Вселенная состоит не менее чем из 200 миллиардов галактик. Галактические стены по своей природе являются относительно плоскими и составляют собой стенки «ячеек» Вселенной, а места их пересечений и формируют сверхскопления галактик. В центре же этих ячеек располагаются войды (англ. void — пустота).
Материалы по теме
Интерактивная шкала масштабов Вселенной
Анализ сформированной учеными трехмерной модели распределения галактик говорит о том, что ячеистая структура наблюдается на расстоянии в более чем миллиард световых лет в любом направлении. Данная информация позволяет полагать, что в масштабе в несколько сотен миллионов световых лет любой фрагмент Вселенной будет иметь почти одинаковое количество вещества. А это доказывает, что в указанных масштабах Вселенная однородна.
Причины возникновения крупномасштабной структуры Вселенной
Несмотря на наличие таких масштабных конструкций, как галактические стены и нити, самыми крупными устойчивыми структурами все же считаются скопления галактик. Дело в том, что известное расширение Вселенной постепенно растягивает структуру любых объектов, и бороться с этой силой может лишь гравитация. В результате наблюдений за скоплениями и сверхскоплениями был обнаружен такой потрясающий эффект как «гравитационное линзирование». То есть лучи, проходящие через межзвездное пространство, искривляются, что указывает на наличие в нем огромной невидимой, скрытой массы. Она может принадлежать различным ненаблюдаемым космическим телам, однако в таких масштабах вероятнее всего принадлежит темной материи
Крест Эйнштейна — гравитационно-линзированный квазар
Опираясь на почти однородное реликтовое излучение, ученые убеждены в том, что и вещество во Вселенной должно распределяться равномерно. Но особенность гравитации в том, что она склонна стягивать любые физические частицы в плотные структуры, тем самым нарушая однородность. Таким образом, спустя какое-то время после Большого Взрыва незначительные неоднородности в распределении вещества в пространстве стали все более стягиваться в некоторые структуры. Их возрастающая гравитация (в силу возрастания массы на объем) постепенно замедляла расширение, пока не остановила его вовсе. Мало того, в некоторых частях расширение обернулось в сжатие, что и стало причиной образования галактик и галактических скоплений.
Подобная модель проверялась при помощи компьютерных расчетов. Учитывая совсем незначительные флуктуации (колебания, отклонения) в однородности реликтового излучения, компьютер просчитал, что такие же мелкие флуктуации в распределении вещества после Большого Взрыва при помощи гравитации вполне могли породить скопления галактик и ячеистую крупномасштабную структуру Вселенной. ‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Крупномасштабная структура Вселенной» title=»Крупномасштабная структура Вселенной»>
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Источник