Астрономи създадоха най-подробния компютърен модел на Вселената

Международен екип от учени са създали най-детайлния досега модел на Вселената. Едногодишна непрекъсната работа на суперкомпютър е осигурила възможността с безпрецедентна точност да се моделира как са възникнали и са се развивали галактиките.

Резултата от това изследване е описан в две научни статии, публикувани в списанието Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. В първата авторите са се концентрирали върху ролята на свръхновите и свръхмасивните черни дупки в процеса на образуването на галактиките, а във втората са разгледали други допълнителни аспекти на това явление.

Създаденият от учените модел с наименованието TNG50 е третия и засега последен модел, създаден в рамките на проекта Illustris TNG. Това начинание преследва амбициозната цел колкото си може по-точно да моделира възникването на големи структури във Вселената, без да пренебрегват при това детайлите в строежа на галактиките.

„Тази симулация представлява огромен сбор от данни, благодарение на които ние можем много да научим, анализирайки и разбирайки образуването и еволюцията на моделираните галактики вътре в тях – разказва Пол Торей (Paul Torrey) от Университета на Флорида, съавтор в изследването – Това, което е принципиално ново в TNG50 е, че ние получихме достатъчно точно разпределение на масата и пространството вътре в галактиките, което ни дава ясна представа за това, как изглежда вътрешната структура на звездните системи по време на тяхното формиране и развитие”.

Моделът трябва да отговори и на въпроса, как е възникнало сегашното разнообразие сред галактиките, което може би е един от най-сложните въпроси, стоящи пред съвременната космология.

TNG50 представлява виртуална вселена с размер приблизително 230 милиона светлинни години и в нея има десетки хиляди галактики. За сравнение, реалният размер на нашата Галактика е около 100 хиляди светлинни години. Типичните разстояния между съседни звездни системи представляват няколко милиона светлинни години, а диаметърът на видимата Вселена – около 100 милиарда светлинни години.

На астрономите са известни стотици милиарди галактики, а по някои пресмятания тяхното общо количество ( предполагайки за тези, които още не са достъпни за съвременните телескопи ) в наблюдаемата Вселена може да достигне трилион галактики. Видимо е, че новият модел обхваща една много малка част от обозримия космос. В същото време той е достатъчно мащабен , за да възпроизведе масовото образуване на галактики и съставените от тях структури.

Изследователите са достигнали детайлизация, която по-рано е била възможна само при моделирането на отделни галактики, но не и на десетки хиляди такива системи. Минималният размер на детайлите, различими в рамките на модела, представлявал само 230-450 светлинни години. Веществото, включително и тъмната материя, били разбити на повече от 20 милиарда блока, които можели да се движат и да взаимодействат един с друг. Отчитала се не само гравитацията, но и електромагнитните сили, действащи на плазмата в магнитно поле.

За толкова мащабни изчисления е била необходима повече от една година непрекъсната работа на суперкомпютъра Hazel Hen,намиращ се в Щутгарт, Германия и имащ 16 хиляди процесорни ядра. На едноядрена система от рода на лаптоп, процесът е трябвало да продължи 15 хиляди години. С други думи, това е едно от най-мащабните досегашни астрофизични моделирания.

Но резултатът оправдал вложените ресурси и усилия в създаването на TNG50. Моделът позволил на учените буквално да видят, как галактиките се появяват от облаците газ, сгъстяващи се скоро след Големия взрив. Изследователите проследили, как бъдещите звездни системи приемат типичната дискообразна форма. Моделът възпроизвел спиралните ръкави, изпъкналостите (bulges) и други структурни детайли на галактиките. Резултатът от моделирането е достатъчно достоверен, въпреки че не съвпада идеално с реалните астрономически наблюдения.

„Подобни числените експерименти са особено успешни, когато получаваме повече отколкото влагаме – обяснява друг съавтор в изследването Дилан Нелсън (Dylan Nelson) от мюнхенския Институт по астрофизика към Обществото Макс Планк. – В нашето моделиране ние видяхме явления, които не бяха предварително програмирани в кода на модела. Тези явления възникват по естествен начин от сложното взаимодействие на основните физически компоненти на нашия модел на вселена.”

Например учените открили следния феномен. Активността на свръхмасивни черни дупки и избухванията на свръхнови създавали скоростни потоци от газ, напускащи пределите на звездната система. Струите се разтегляли на хиляди светлинни години извън границите на родителската галактика, но гравитацията в края на краищата успявала да притегли по-голяма част от газа обратно. Това явление напомняло на звезден фонтан. При това веществото се изхвърляло от плътния център на звездната система и попадало на бедните  с вещество  краища на галактиката.  Това преразпределение на масата ускорявало превръщането на галактиката в плосък диск.

Учените подчертават, че анализът на получените резултати въобще не е завършен. Освен това авторите планират да публикуват в открит достъп всички резултати от проведеното мащабно моделиране, така че от тях да могат да се възползват всички астрономи по света.

„ Сега, след когато завършихме тези симулации, на нас все още ни предстои дълъг път – резюмира Торей – Целият екип от изследователи работи над това по-добре да разбере детайлните свойства на галактиките, които се формират в моделите и да установят, какви нови тенденции се появяват в тези данни.”