Създаване на млечен път

След девет месеца сриване на числата на мощен суперкомпютър, изследователите са създали симулирана спирална галактика, отговаряща на нашия собствен Млечен път. Досега неспособността да се симулира такава галактика е карала някои да поставят под въпрос преобладаващия космологичен модел на Вселената, в който студената тъмна материя създава „гравитационни кладенци“, които събират материята, която образува звезди и планети.

Изследователи от Калифорнийския университет, Санта Круз (UCSC) и Института за теоретична физика в Цюрих докладват за своите открития в документ, озаглавен „Ерис“, приет за публикуване в Astrophysical Journal . UCSC направи съобщението на 29 август 2011 г.

Симулацията на Ерис, показваща звезди в галактиката, както наблюдателите ще я видят. Сините цветове са региони на скорошното образуване на звезди, докато по-червените региони са свързани с по-стари звезди. Спиралните рамена обикновено са звездообразуващи, а централната издутина е основно „червена и мъртва“. Image Credit: J. Guedes и P. Madau

За последните 20 години усилията за възпроизвеждане на галактика като нашата собствена в компютърните симулации не успяха да генерират масивни дискови галактики, които приличат на Млечния път, със спиралните си рамена в голям плосък диск около малък централен издут, съставен от стари звезди. Реалистична симулация на формиране на звезди беше ключът към успеха на Ерис. Съавторът Пиеро Мадау, UCSC, обясни:

Образуването на звезди в реални галактики се осъществява по струпване и е трудно да се възпроизведе това от космологична симулация. Това е първата симулация, която е в състояние да разреши облаците с висока плътност на газ, където се образува образуване на звезди, а резултатът е галактика тип Млечен път с малка издутина и голям диск. Това показва, че сценарият на студената тъмна материя, при който тъмната материя осигурява скелето за формиране на галактики, е в състояние да генерира реалистични дискови доминирани галактики.

Хавиера Гуедес, първи автор на статията, каза:

Предишните усилия за формиране на масивна дискова галактика като Млечния път се провалиха, защото симулираните галактики завършиха с огромни централни издутини в сравнение с размера на диска.

Галактиката Ерис е масивна спирална галактика с централна „лента“ от ярки звезди и други структурни свойства, съответстващи на галактики като Млечния път. Неговият профил на яркост, съотношение изпъкналост към диск, звездно съдържание и други ключови характеристики са всички в обхвата на наблюденията на Млечния път и други галактики от същия тип.

Сравнение, показващо симулацията на Eris (отгоре) и млечния път (отдолу). Image Credit: S. Callegari, J. Guedes, 2MASS колаборация

Guedes каза:

Разчленихме галактиката по много различни начини, за да потвърдим, че тя се вписва в наблюденията.

Според Мадау проектът изисква голяма инвестиция на суперкомпютърно време, включително 1, 4 милиона процесорни часа на най-модерния суперкомпютър на Pleiades на НАСА, както и допълнителни поддържащи симулации на суперкомпютри в UCSC и Швейцарския национален суперкомпютърен център. Мадау каза:

Поехме известен риск, изразходвайки огромно количество суперкомпютърно време, за да симулираме една единствена галактика с изключително висока разделителна способност.

360-градусова панорама на галактиката Млечен път. Кредитна снимка: ESO / S. Brunier

Кликнете тук за разгънат изглед.

Резултатите подкрепят преобладаващата теория за студената тъмна материя, при която еволюцията на структурата във Вселената се движи от гравитационните взаимодействия на тъмната материя ( тъмна, защото не може да се види, и студена, защото частиците се движат бавно). Гравитацията действа първоначално при леки колебания на плътността, които са налице малко след Големия взрив, като привлича заедно първите буци тъмна материя, която прераства в по-големи и по-големи буци.

Обикновената материя, която образува звезди и планети (по-малко от 20 процента от материята във Вселената), попадна в „гравитационните кладенци“, създадени от големи струпвания на тъмна материя, пораждайки галактики в центровете на ореолите на тъмната материя.

За да извършат симулацията на Ерис, изследователите започнаха с симулация на тъмна материя с ниска разделителна способност, развиваща се, за да образуват ореолите, които приютяват съвременните галактики. Тогава те избират ореол с подходяща история на маса и сливания, за да бъдат домакини на галактика като Млечния път, и „пренавиват лентата“ обратно към първоначалните условия. Мащабиране на малкия участък, който еволюира в избрания ореол, те добавят газови частици и значително увеличават разделителната способност на симулацията. Високата разделителна способност означава проследяване на взаимодействията на огромен брой частици.

Guedes добави:

Симулацията следва взаимодействията на повече от 60 милиона частици от тъмна материя и газ. Много физика влиза в кода - гравитация и хидродинамика, образуване на звезди и свръхнови експлозии - и това е космологичната симулация с най-висока резолюция, правена някога по този начин.

Високата разделителна способност даде по-точна рецепта за образуване на звезди. При симулация с ниска разделителна способност, при средна плътност на газа на сравнително големи площи, праговата плътност за образуване на звезди трябва да бъде зададена толкова ниска, че звездите да са склонни да се образуват в дифузен газ в цялата галактика. В симулацията на Ерис прагът за образуване на звезди позволи на звездите да се образуват само в региони с висока плътност, което доведе до по-реалистично разпределение на звездите.

Важно следствие е, че когато звездите избухват като свръхнови в тези локализирани области с висока плътност, енергията, впръскана в междузвездната среда, изхвърля много газ от галактиката. Мадау каза:

Суперновите произвеждат изтичане на газ от вътрешната част на галактиката, където иначе биха образували повече звезди и биха направили голяма издутина. Образуването на клъстерирани звезди и инжектирането на енергия от свръхновите фактори правят разликата в тази симулация.

Долен ред: Изследователи от Калифорнийския университет, Санта Крус и Института за теоретична физика в Цюрих създадоха за първи път симулация с най-висока резолюция, правена някога на галактика като Млечния път, осигуряваща подкрепа за теорията на студената тъмна материя на образуване на галактика. Техният документ със заглавие „Ерис“ е приет за публикуване в The Astrophysical Journal . UCSC направи съобщението на 29 август 2011 г.

Прочетете повече в Калифорнийския университет Санта Крус

Как спиралните галактики поддържат формата си?

Бари Бариш търси лов на тъмна материя в нашата вселена