От Большого взрыва до наших дней: уникальные симуляции раскрывают секреты формирования галактик

Галактики — огромные системы звезд, газа и пыли, связанные гравитацией. Они могут иметь различные формы и размеры, от спиральных до эллиптических. Но как они образуются и эволюционируют во Вселенной? Этот вопрос занимает ученых уже долгое время.


Современная космология предлагает стандартную модель LCDM, которая предполагает, что вселенная состоит из загадочной темной материи и темной энергии, а также обычной барионной материи. Эта модель успешно описывает множество наблюдаемых данных, но ее физическая природа до сих пор не понятна. Поэтому астрофизики ищут противоречия между моделью и наблюдениями, которые могли бы привести к лучшему пониманию этих фундаментальных загадок нашей вселенной.

Для этого нужны чувствительные тесты, которые требуют как мощных новых наблюдательных данных, так и более детальных прогнозов, что модель LCDM на самом деле подразумевает. Недавно международная группа исследователей провела самые большие и точные симуляции формирования галактик и космической структуры в масштабе вселенной. Эти симуляции помогут раскрыть полный потенциал новых космологических наблюдений и проверить модель LCDM на предмет возможных отклонений.

Проект MillenniumTNG: цели, методы и результаты

Проект MillenniumTNG является продолжением знаменитого проекта Millennium, начатого в 2005 году. В рамках этого проекта было проведено несколько симуляций различного размера и разрешения, используя самые мощные суперкомпьютеры в Германии и Великобритании. Симуляции включали в себя не только гравитационное взаимодействие темной материи, но и физику газа, звездообразования, сверхновых, черных дыр и других процессов, которые влияют на форму и структуру галактик.

Целью проекта MillenniumTNG было создать наиболее полную на сегодняшний день модель гидродинамического моделирования формирования галактик и космической структуры в масштабе вселенной. Для этого исследователи использовали два чрезвычайно мощных суперкомпьютера: машину SuperMUC-NG в Суперкомпьютерном центре Лейбница в Гархинге и машину Cosma8 во вселенной Дарема. Более 120 000 вычислительных ядер трудились в течение почти двух месяцев в SuperMUC-NG, используя вычислительное время, предоставленное Немецким центром супервычислений Гаусса, для создания наиболее полной модели гидродинамического моделирования.

Для моделирования исследователи использовали два усовершенствованных космологических кода: GADGET-4 для вычисления крупнейшей модели темной материи с высоким разрешением, охватывающей область почти 10 миллиардов световых лет в поперечнике, и AREPO с движущейся сеткой, чтобы напрямую отслеживать процессы формирования галактик в объемах, которые все еще настолько велики, что их можно считать репрезентативными для Вселенной в целом.

Кроме того, команда включила массивные нейтрино в свои симуляции, впервые в симуляциях, достаточно больших, чтобы можно было проводить содержательные космологические фиктивные наблюдения. Предыдущие космологические симуляции обычно опускали их для простоты, потому что они составляют не более одного-двух процентов массы темной материи, а их почти релятивистские скорости в основном не позволяют им слипаться.

Симуляции MillenniumTNG позволили ученым изучить широкий спектр свойств галактик, таких как их массы, размеры, цвета, формы, химический состав, скорости звездообразования и активность черных дыр. Они также позволили сравнить модельные галактики с реальными данными, полученными с помощью космических телескопов, таких как Hubble и Euclid, а также наземных обсерваторий, таких как Vera Rubin Observatory и Square Kilometre Array.



Вот некоторые ключевые результаты и выводы, полученные из симуляций:

• Стандартная космологическая модель LCDM хорошо описывает наблюдаемые данные о космическом микроволновом излучении, остаточном тепле Большого взрыва, и о «космической паутине», где галактики расположены вдоль сложной сети темных материальных нитей.
  
• Модель LCDM также хорошо воспроизводит статистические свойства галактик, такие как функция массы, функция светимости и функция корреляции. Однако она не может объяснить некоторые детали, такие как разнообразие форм галактик и их зависимость от окружающей среды.
  
• Форма и структура галактик зависят от множества факторов, таких как начальные условия, физика газа, обратная связь от звездообразования и черных дыр, а также влияние нейтрино. Эти факторы определяют, как галактики растут по массе и размеру, как они меняют свой цвет и химический состав, и как они взаимодействуют с другими галактиками и космической средой.
  
• Симуляции также показали, что предстоящие космологические изыскания (например, исследования недавно запущенного спутника Euclid Европейского космического агентства) достигнут точности, позволяющей обнаруживать связанные эффекты процентного уровня. Это поднимает заманчивую перспективу ограничения самой массы нейтрино, глубокий открытый вопрос в физике элементарных частиц, так что ставки высоки.
  

Моделирование MillenniumTNG произвело более трех петабайт данных, которые станут пищей для размышлений ученых на многие годы вперед.