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 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.

Проекции газа (вверху слева), темной материи (вверху справа) и звездного света (внизу в центре) для среза крупнейшей гидродинамической симуляции MillenniumTNG в современную эпоху. Толщина среза составляет около 35 миллионов световых лет. Проекции показывают огромные физические масштабы в моделировании от размера около 2400 миллионов световых лет в поперечнике до отдельной спиральной галактики (последняя круглая вставка) с радиусом ~ 150 000 световых лет. Базовый расчет в настоящее время является крупнейшим гидродинамическим моделированием образования галактик с высоким разрешением, содержащим более 160 миллиардов элементов разрешения.
Вот некоторые ключевые результаты и выводы, полученные из симуляций:
Моделирование MillenniumTNG произвело более трех петабайт данных, которые станут пищей для размышлений ученых на многие годы вперед.
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.

Проекции газа (вверху слева), темной материи (вверху справа) и звездного света (внизу в центре) для среза крупнейшей гидродинамической симуляции MillenniumTNG в современную эпоху. Толщина среза составляет около 35 миллионов световых лет. Проекции показывают огромные физические масштабы в моделировании от размера около 2400 миллионов световых лет в поперечнике до отдельной спиральной галактики (последняя круглая вставка) с радиусом ~ 150 000 световых лет. Базовый расчет в настоящее время является крупнейшим гидродинамическим моделированием образования галактик с высоким разрешением, содержащим более 160 миллиардов элементов разрешения.
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.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Куда делась атомная бомба Гитлера? Физики увидели то, что упустили историки
Ученые подчеркивают: многие из громких мифов 1940-е годов, скорее всего, не выдержат проверки реальными фактами...
Самая известная мумия Южной Америки снова «заговорила»: последние ее месяцы были очень мрачными
Археологи говорят: именно на этой жестокой практике держалась вся империя инков...
В морском льду Антарктиды протаяла дыра площадью с Португалию. Теперь ученые знают, почему
Эксперты говорят: сбой ледового ритма опасен для Мирового океана и планеты в целом...
Что будет с Азовским морем? Российские ученые просчитали четыре варианта развития событий
Исследователи объяснили, почему при любом раскладе море не будет прежним. Но каким тогда?...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
За 320 миллионов лет Земля как минимум 4 раза опрокидывалась набок
Поразительное, но такое заваливание идет прямо сейчас. И геологи рассказали, как и почему это происходит...
Он помогал нести крест Христу: надпись на саркофаге проливает свет на библейского персонажа
2000-летний гроб был найден еще 1941 году, но ученые до сих пор не пришли к какому-то общему мнению. Почему?...
40 000-летний подводный город нашли в Турции: почему официальная наука против такой даты?
Интересно, что древний объект находится недалеко от горы Арарат, где прямо сейчас ищут легендарный Ноев ковчег...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
Кита лечили тем, от чего обычно умирают: этот эксперимент изменил медицину
Одиннадцатилетняя белуха угасала от неизлечимой болезни, и тогда ученые пошли на рискованные опыты...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...
Искусственная гравитация: ученые рассказали, появится ли вообще главная фишка из фантастических фильмов в космосе
Космические инженеры знают три способа обмануть невесомость. Но пока рабочий из них только один, да и то есть нюансы...
Раскрыта 217-летняя тайна: искусственный интеллект взломал зашифрованное письмо Наполеона
Нейросети последних лет — это реальный прорыв: только за несколько недель было вскрыто более 30 безнадежных шифров...