Як виникають галактики, такі як наш Молочний Шлях? Як вони зростають і змінюються з часом? Процеси, що «відповідають» за формування галактик, є загадкою протягом десятиліть, але група науковців під керівництвом дослідників з Аризонського університету завдяки комп’ютерному моделюванню зробила крок вперед у пошуку відповідей.

Група науковців на чолі з дослідниками із Аризонського університету створила на суперкомп'ютері мільйони різних всесвітів, кожен з яких підкорявся різним фізичним теоріям щодо того, як мають утворюватися галактики. Фото з сайту https://uanews.arizona.edu.

Спостереження за реальними галактиками в космосі можуть дати інформацію про них лише на певний момент часу, тому дослідники, які хочуть з’ясувати, як розвиваються галактики протягом мільярдів років, мусять вдаватися до комп'ютерного моделювання. Традиційно астрономи використовували цей підхід для побудови та перевірки нових теорій утворення галактик у послідовності, тобто одна за одною. Пітер Бегроозі (Peter Behroozi), доцент в Обсерваторії Стюарда Аризонського університету та його команда «зламали» цю традицію, створивши мільйони різних всесвітів на суперкомп’ютері. Кожен з них підпорядковувався різним фізичним теоріям того, як мають утворюватися галактики.

Отримані результати, опубліковані в журналі «Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства» (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), ставлять під сумнів фундаментальні уявлення про роль темної матерії у формуванні галактик, про те, як галактики розвиваються з часом та як вони народжують зорі.

«На комп’ютері ми можемо створити багато різних всесвітів і порівняти їх з фактичними даними, і це дає нам змогу зробити висновок, які умови приводять до того, що ми спостерігаємо», — сказав Бегроозі, головний автор дослідження.

Науковці з допомогою комп’ютера уперше створили самоузгоджені всесвіти — точні копії реального Всесвіту: комп’ютерні симуляції відтворюють значну частину космічного простору, що містить 12 мільйонів галактик й еволюціонує в інтервалі часу від 400 мільйонів років після Великого Вибуху до наших днів.

Кожен всесвіт від «Екс-Машини» («Ex-Machina») було піддано серії тестів, щоб оцінити, як в ньому виникли галактики порівнюючи зі справжнім Всесвітом. Всесвіти, найбільш схожі на наш, мали схожі основні фізичні параметри. Це означає, що науковцям вдалося знайти новий потужний підхід до вивчення процесів утворення галактик.

Результати «Машинного всесвіту» («UniverseMachine»), як називають автори свій підхід, допомогли вирішити давній парадокс: чому галактики перестають утворювати нові зорі навіть тоді, коли вони містять багато водню, тобто газу, з якого формуються зорі.

Усталені уявлення про те, як галактики утворюють зорі, вказують на складну взаємодію між процесом руйнування хмар холодного газу під дією сили тяжіння на окремі згустки з яких формуються зорі та іншими процесами, що протидіють утворенню зір.

Наприклад, заведено вважати, що більшість галактик містять у своїх центрах надмасивні чорні діри. Матерія, що потрапляє в такі чорні діри, випромінює багато енергії. Ця енергія виконує роль космічних вентиляторів, що не дозволяють газу охолонути до такої міри, щоб його хмари стали розплідниками зір. Цьому процесу також сприяють зорі, які закінчили своє життя вибухом наднової. Темна матерія теж відіграє велику роль, бо саме вона робить найбільший внесок у силу тяжіння, що діє на видиму речовину в галактиці, витягуючи холодний газ із околиць галактики і нагріваючи його при цьому.

«Коли ми в своєму моделюванні “рухалися” в ранні й ще більш ранні епохи існування Всесвіту, то очікували, що темна матерія буде щільнішою, а тому газ мав бути все гарячішим і гарячішим. Це несприятливі умови для утворення зір, тому ми вважали, що в багатьох галактиках на початку існування Всесвіту процес формування зір давно зупинився», — сказав Бегроозі. «Але ми виявили протилежне: всупереч очікуванню, галактики заданого розміру, ймовірно, утворюють зорі з більшою швидкістю».

Для того, щоб відповідати спостережним даним для реальних галактик, пояснив Бегроозі, його команді довелося створити віртуальні всесвіти, в яких все було навпаки — всесвіти, в яких галактики довше підтримували процес формування зір.

Водночас, коли дослідники створили всесвіти на основі сучасних теорій утворення галактик, тобто такі, в яких галактики в ранню епоху перестали утворювати зорі то ці зоряні системи виявилися набагато червонішими, ніж галактики, які ми бачимо на небі.

Галактики стають червоними з двох причин. Перша є очевидною і пов’язана з віком галактики — якщо вона сформувалася раніше у процесі еволюції Всесвіту, вона буде віддалятися швидше і її світло зміститься в червону ділянку електромагнітного спектра. Астрономи називають цей ефект червоним зміщенням. Інша причина внутрішня: якщо галактика перестала утворювати зорі, вона матиме менше синіх зір, які зазвичай швидше вимирають. Тому в галактиці залишаються старі, червоні зорі.

«Але ми цього не спостерігаємо», — сказав Бегроозі. «Якби галактики поводилися так, як ми гадали, і перестали утворювати зорі раніше, наш реальний Всесвіт мав би інше забарвлення. Іншими словами, ми змушені зробити висновок, що галактики утворювали зорі ефективніше в ранні часи, ніж ми досі вважали. І це вказує на те, що енергія, створена надмасивними чорними дірами та надновими зорями, менш ефективно пригнічує процеси формування зір, ніж передбачали теорії».

За словами Бегроозі, для створення моделей всесвітів небувалої складності потрібен був абсолютно новий підхід, який не обмежувався обчислювальною потужністю та пам’яттю, і забезпечував достатню роздільну здатність, щоб охопити масштаби від «малих» — окремих об’єктів, таких як наднові, — до значної частини спостережуваного Всесвіту.

«Моделювання однієї галактики вимагає від 10 до 48-и обчислювальних операцій», — пояснив він. «Усі комп’ютери на Землі разом не могли б цього зробити за сто років. Отже, щоб імітувати одну галактику, не кажучи вже про 12 мільйонів, нам довелося робити це інакше».

Окрім використання обчислювальних ресурсів NASA з Дослідницького центру Еймса та Центру суперкомп’ютерів Лейбніца в Гарчінгу (Німеччина), науковці використовували суперкомп’ютер «Оцелот» («Ocelote») з кластеру високоефективних обчислень Аризонського університету. Дві тисячі процесорів опрацьовували дані одночасно протягом трьох тижнів. За період виконання дослідницького проекту Бегроозі та його колеги створили понад 8 мільйонів всесвітів.

«Ми взяли астрономічні спостереження за останні 20 років і порівняли їх з мільйонами моделей всесвітів, які ми створили», — пояснив Бегроозі. «Ми зібрали багато інформації, щоб побачити, яка її частина відповідає реальності. Чи всесвіти, який ми створили, мають правильний вигляд? Якщо ні, ми вносили зміни, робили модифікації та ще раз перевіряли».

Для подальшого розуміння того, як виникли галактики, Бегроозі та його колеги планують розширити «Машинний всесвіт», щоб додати інформацію про морфологію окремих галактик і те, як їх форми розвиваються з часом.

За інф. з сайту https://uanews.arizona.edu