Международная группа астрофизиков разработала компьютерную модель, которая рассчитывает процессы формирования галактик на «микроуровне» и распределение вещества во Вселенной в большом масштабе. Симуляция позволяет исследовать природу темной материи, развитие крупномасштабных космических структур и предсказывать будущие астрономические наблюдения. «Хайтек» рассказывает о том, как работает модель, и о результатах первых исследований.
Астрофизики проекта «MillenniumTNG» разработали первую компьютерную модель Вселенной, показывающую одновременно как процессы, которые происходят на уровне отдельных галактик, так и развитие крупномасштабных космических структур — нитей космической паутины, сформированных под воздействием темной материи.
Симуляция охватывает огромную область размером 10 млрд световых лет в поперечнике и позволит проверить стандартную космологическую модель (ΛCDM, Лямбда-CDM). Первые результаты проекта опубликованы в 10 статьях в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Как работает модель?
Для проекта «MillenniumTNG» исследователи объединили и модернизировали две существующие системы компьютерного моделирования Вселенной. Первая из них IllustrisTNG — магнитная гидродинамическую симуляция, которая на основе известных астрофизических законов моделирует формирование галактик в различных условиях. Вторая — Millennium, модель, описывающая распределение темной материи в крупных масштабах.
Астрофизики объединили две этих модели, чтобы отслеживать процессы формирования галактик в крупных масштабах космической паутины, сформированной темной материей. Масштаб, выбранный для симуляции — область с поперечником в 10 млрд световых лет — достаточно большой, чтобы репрезентативно отражать Вселенную в целом.
Объединение двух моделей позволяет связать между собой взаимное влияние темной и барионной («обычной» видимой) материи: оно показывает, например, как процессы, связанные со взрывами сверхновых и сверхмассивными черными дырами, влияют на перераспределение вещества во Вселенной.
Кроме того, исследователи дополнили модели частицами нейтрино. Предыдущие космологические симуляции обычно опускали их для простоты, потому что они составляют не более 1-2% массы темной материи, и поскольку их почти релятивистские скорости в основном не позволяют им слипаться. Но развитие инструментов наблюдения позволяет исследовать распределение и этих частиц (например, с помощью нового телескопа «Евклид»). Это открывает новый способ проверить корректность существующей космологической модели.
Для моделирования исследователи использовали два месяца работы двух суперкомпьютеров, расположенных в Суперкомпьютерном центре Лейбница и Даремском университете. Готовая модель описывает формирование около 100 млн галактик в области Вселенной диаметром около 2,4 млрд световых лет. Это примерно в 15 раз превышает лучший существующий расчет модели TNG300.
Зачем нужно моделирование?
Современная космологическая модель (модель Лямбда-CDM) предполагает, что помимо классической барионной материи во Вселенной существует еще и темная материя, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии, а потому не видна, но при этом оказывает гравитационные эффекты. Более того, астрофизики используют дополнительный параметр темную энергию, которая объясняет ускоренное расширение Вселенной.
Большинство современных наблюдений подтверждает корректность этой модели и указывают на то, что темная материя и темная энергия преобладают над барионной материей, которая составляет только 5% этой «смеси». Но физическая природа темных составляющих Вселенной до сих пор до конца не понята.
Исследователи ищут мельчайшие противоречия между реальными наблюдениями и предсказаниями модели Лямбда-CDM, чтобы лучше понять фундаментальные законы Вселенной и объяснить природу загадочных компонентов материи и энергии. Чем более точно и подробно работает моделирование, основанное на известных законах, и чем чувствительнее измерительный приборы и телескопы, тем больше шанс найти несостыковки и узнать что-то новое об окружающем нас мире.
Подробное распределение галактик и материи в объеме, который достаточно велик, чтобы быть репрезентативным для Вселенной в целом, позволит проводить сравнения с существующими и будущими обзорами на надежной статистической основе, уверены авторы симуляции.
Первые предсказания компьютерной симуляции
На основе моделирования исследователи написали 10 научных статей, которые описывают результаты возможных наблюдений за различными процессами во Вселенной. Эти предсказания требуют экспериментальной проверки, которая покажет действительно ли стандартная космологическая модель корректно описывает Вселенную или она что-то упускает.
Например, в одном из исследований рассматривается форма и ориентация соседних галактик. Известный, но малоизученный эффект внутреннего выравнивания галактик показывает, что «соседки» обычно ориентируют свои структуры (например, спиральные рукава) в одном направлении. Считается, что это связано с темной материей. С помощью моделирования исследователи рассчитали, как этот эффект будет проявляться на расстоянии в несколько сотен млн световых лет.
Возможно, наш расчет внутреннего выравнивания галактик поможет устранить текущее несоответствие между амплитудами скопления материи, рассчитанными на основе слабого линзирования и с помощью космического микроволнового фона.
Ана Мария Дельгадо, соавтор исследования и участник проекта MillenniumTNG
Другое исследование анализирует галактики ранней Вселенной, которые обнаружил «Джеймс Уэбб». Он наблюдал галактики с огромным красным смещением, которые должны относиться к эпохе через несколько сотен млн лет после Большого взрыва. При этом анализ собранных данных показал, что они чрезвычайно массивны с учетом короткого времени, которое должно было пройти для их формирования.
Результаты моделирования с использованием MillenniumTNG соответствуют реальным наблюдениям для объектов с красным смещением меньше 10 (соответствуют возрасту Вселенной около 500 млн лет). Но для объектов с большим красным смещением модель показывает галактики с меньшей массой. Исследователи полагают, что это может быть связано с ускоренным звездообразованием после Большого взрыва или большей долей массивных звезд в ранней Вселенной. Дальнейшие наблюдения должны будут решить это несоответствие и дополнить модель.
По информации https://hightech.fm/2023/07/21/millennium-tng-simulation
