Виртуальная машина вселенной проливает свет на эволюцию галактики

Создавая миллионы виртуальных вселенных и сравнивая их с наблюдениями реальных галактик, исследователи сделали открытия, которые представляют новый мощный подход для изучения формирования галактик.

Как возникают галактики, такие как наш Млечный Путь? Как они растут и меняются со временем? Наука, стоящая за образованием галактик, оставалась загадкой на протяжении десятилетий, но команда ученых, возглавляемая Аризонским университетом, находится на один шаг ближе к поиску ответов благодаря симуляции суперкомпьютера.

Наблюдение за реальными галактиками в космосе может дать только моментальные снимки, поэтому исследователи, которые хотят изучать эволюцию галактик в течение миллиардов лет, должны вернуться к компьютерному моделированию. Традиционно астрономы использовали этот подход, чтобы изобрести и протестировать новые теории формирования галактик, одну за другой. Питер Behroozi, доцент в Обсерватории Стюарда UA, и его команда преодолела это препятствие, создав миллионы различных вселенных на суперкомпьютере, каждая из которых подчинялась различным физическим теориям о том, как должны образовываться галактики.

Результаты, опубликованные в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества, ставят под сомнение фундаментальные идеи о роли темной материи в формировании галактик, о том, как галактики развиваются с течением времени и как они рождают звезды.

«На компьютере мы можем создать много разных вселенных и сравнить их с действительными, и это позволит нам определить, какие правила ведут к тому, который мы видим», — сказал Бехрузи, ведущий автор исследования.

Исследование является первым, чтобы создать самосогласованные вселенные, которые являются такими точными копиями реальной: компьютерные симуляции, каждая из которых представляет значительный кусок реального космоса, содержащий 12 миллионов галактик и охватывающий время от 400 миллионов лет после Большого взрыва и по сей день.

Каждая вселенная«Ex-Machina» прошла серию тестов, чтобы оценить, как похожие галактики появились в сгенерированной вселенной по сравнению с истинной вселенной. Вселенные, наиболее похожие на нашу, имели схожие физические правила, демонстрирующие новый мощный подход к изучению образования галактик.

Результаты «Вселенской машины», как авторы называют свой подход, помогли разрешить давний парадокс того, почему галактики перестают образовывать новые звезды, даже когда они сохраняют большое количество газообразного водорода, сырья, из которого выковываются звезды.

Распространенные представления о том, как галактики образуют звезды, включают сложное взаимодействие холодного газа, коллапсирующего под действием силы тяжести в плотные карманы, дающие начало звездам, в то время как другие процессы противодействуют образованию звезд.

Например, считается, что большинство галактик содержат сверхмассивные черные дыры в своих центрах. Вещество, падающее в эти черные дыры, излучает огромные энергии, действуя как космические паяльные лампы, которые не дают газу остыть в достаточной степени, чтобы упасть в звездные питомники. Точно так же, звезды, заканчивающие свою жизнь взрывами сверхновых, способствуют этому процессу. Темная материя также играет большую роль, поскольку она обеспечивает большую часть гравитационной силы, действующей на видимое вещество в галактике, вытягивая холодный газ из окрестностей галактики и нагревая его в процессе.

«Когда мы вернемся назад и раньше во Вселенной, мы ожидаем, что темная материя будет плотнее, и поэтому газ будет становиться все горячее и горячее. Это плохо для звездообразования, поэтому мы думали, что многие галактики в начале Вселенная должна была перестать формировать звезды давным-давно", — сказал Бехрузи. «Но мы обнаружили обратное: галактики данного размера с большей вероятностью будут образовывать звезды с большей скоростью, вопреки ожиданиям».

Бехрузи объяснил, что для сопоставления наблюдений с реальными галактиками его команде нужно было создать виртуальные вселенные, в которых происходило обратное — вселенные, в которых галактики продолжали образовывать звезды гораздо дольше.

Если, с другой стороны, исследователи создали вселенные на основе современных теорий образования галактик — вселенных, в которых галактики перестали образовывать звезды на ранних этапах — эти галактики выглядели намного краснее, чем галактики, которые мы видим в небе.

Галактики выглядят красными по двум причинам. Первое очевидно в природе и связано с возрастом галактики — если она сформировалась раньше в истории вселенной, она будет удаляться быстрее, смещая свет в красный спектр. Астрономы называют этот эффект красным смещением. Другая причина присуща: — если галактика перестала образовывать звезды, она будет содержать меньше синих звезд, которые обычно вымирают раньше и остаются с более старыми, более красными звездами.

«Но мы этого не видим», — сказал Бехрузи. «Если бы галактики вели себя так, как мы думали, и прекратили образовывать звезды раньше, наша действительная вселенная была бы совершенно неверно окрашена. Другими словами, мы вынуждены сделать вывод, что галактики образовывали звезды в более ранние времена более эффективно, чем мы думали. И что это говорит нам заключается в том, что энергия, создаваемая сверхмассивными черными дырами и взрывающимися звездами, менее эффективна для подавления звездообразования, чем предсказывали наши теории ».

По словам Бехрузи, создание фиктивных вселенных беспрецедентной сложности требовало совершенно нового подхода, который не ограничивался вычислительной мощностью и памятью, и обеспечивал достаточное разрешение, чтобы охватить масштабы от «маленьких» — отдельных объектов, таких как сверхновые, — до значительных размеров. кусок наблюдаемой вселенной.

«Для моделирования одной галактики требуется от 10 до 48 вычислительных операций», — пояснил он. «Все компьютеры на Земле вместе не могли сделать это за сто лет. Поэтому, чтобы просто смоделировать одну галактику, не говоря уже о 12 миллионах, мы должны были сделать это по-другому».

В дополнение к использованию вычислительных ресурсов в Исследовательском центре Эймса НАСА и Leibniz-Rechenzentrum в Гархинге, Германия, команда использовала суперкомпьютер Ocelote в кластере высокопроизводительных вычислений UA. Две тысячи процессоров обрабатывали данные одновременно в течение трех недель. В ходе исследовательского проекта Behroozi и его коллеги создали более 8 миллионов вселенных.

«Мы взяли последние 20 лет астрономических наблюдений и сравнили их с миллионами фиктивных вселенных, которые мы создали», — объяснил Бехрузи. «Мы собрали вместе тысячи фрагментов информации, чтобы увидеть, какие из них совпадают. Была ли созданная нами вселенная правильной? Если нет, мы бы вернулись, внесли изменения и проверили снова».

Чтобы еще лучше понять, как возникли галактики, Бехрузи и его коллеги планируют расширить UniverseMachine, включив в него морфологию отдельных галактик и то, как их формы развиваются с течением времени.