Астрофизики выпускают IllustrisTNG, самую передовую модель Вселенной
Новые вычислительные методы помогли создать наиболее масштабное информационное моделирование Вселенной, которое когда-либо производилось. Новый инструмент дает свежую информацию о том, как черные дыры влияют на распределение темной материи, как тяжелые элементы производятся и распространяются по всему космосу, и откуда возникают магнитные поля.
Под руководством главного исследователя Фолькера Спрингера в Институте теоретических исследований им. Гейдельберга астрофизики из Института астрономии Макса Планка (MPIA, Гейдельберг) и астрофизики (MPA, Garching), Гарвардского университета, Массачусетского технологического института (Массачусетский технологический институт) и Flatiron Центр вычислительной астрофизики (CCA) разработали и запрограммировали новую версию моделирования Вселенной, получившей название «Illustris: следующее поколение» или IllustrisTNG.
Модель является самым продвинутым универсальным симулятором такого рода, говорит Шей Генэл, ассоциированный исследователь из CCA, который помог разработать и отточить IllustrisTNG. Детали и масштаб моделирования позволяют изучать, как галактики формируются, развиваются и растут в тандеме со своей деятельностью звездообразования.
«Когда мы наблюдаем галактики с помощью телескопа, мы можем измерять только определенные характеристики», — говорит он. «С помощью моделирования мы можем отслеживать все свойства для всех этих галактик. И не только, как сейчас выглядит галактика, но и всю ее историю образования». Сопоставление способов эволюции галактик в симуляции дает представление о том, какой могла бы быть наша собственная галактика Млечный Путь, когда Земля сформировалась и как наша галактика может измениться в будущем, говорит он.
Марк Фогельсбергер, доцент физики в Массачусетском технологическом институте и Институте астрофизики и космических исследований им. М.К. Кавли, работает над разработкой, тестированием и анализом новых имитаций IllustrisTNG. Наряду с исследователями-докторантами Федерико Мариначчи и Полом Торри, Фогельсбергер использует IllustrisTNG для изучения наблюдаемых сигнатур из крупномасштабных магнитных полей, которые пронизывают вселенную.
«Высокое разрешение IllustrisTNG в сочетании с его сложной моделью формирования галактик позволило нам более подробно изучить эти вопросы магнитных полей, чем с любыми предыдущими космологическими симуляторами», — говорит Фогельсбергер, один из авторов трех работ, опубликованных сегодня в «Ежемесячных уведомлениях» Королевского астрономического общества.
IllustrisTNG является моделью-преемником оригинальной симуляции Illustris, разработанной той же исследовательской группой, но теперь она была обновлена, чтобы включить в себя некоторые из физических процессов, которые играют решающую роль в формировании и эволюции галактик.
Как и в Illustris, проект моделирует кубическую вселенную, меньшую, чем наша. На этот раз проект моделировал образование миллионов галактик в кубическом регионе вселенной со стороной почти 1 миллиард световых лет (по сравнению с 350 миллионами световых лет на каждую сторону всего четыре года назад). lllustrisTNG — крупнейший проект гидродинамического моделирования на сегодняшний день для появления космических структур.
Космическая сеть газа и темной материи, предсказанная IllustrisTNG, производит галактики, очень похожие на реальные галактики по форме и размеру. Впервые динамическое моделирование могло непосредственно вычислить подробную картину кластеризации галактик в космосе. По сравнению с данными наблюдений, такими как данные Sloan Digital Sky Survey, симуляции от IllustrisTNG демонстрируют высокую степень реализма, говорит Фолькер Спрингел.
Кроме того, моделирование предсказывает, как космическое пространство изменяется со временем, особенно в отношении темной материи, лежащей в основе космоса. «Особенно увлекательно, что мы можем точно предсказать влияние сверхмассивных черных дыр на распределение вещества в больших масштабах», — говорит Спрингел. «Это важно для надежного толкования предстоящих космологических измерений».
Астрофизика с помощью кода и суперкомпьютеров
Для проекта исследователи разработали особенно мощную версию своего высокопараллельного косинусного кода AREPO и использовали его на машине Hazel Hen, самом быстром мэйнфреймовом компьютере в Германии, в Центре высокопроизводительных вычислений в Штутгарте. Чтобы вычислить один из двух основных симуляторов, в течение более двух месяцев команда заняла более 24 000 процессоров. «Новые симуляции дали более 500 терабайт данных моделирования, — говорит Спрингел. «Анализ этой огромной горы данных будет держать нас в напряжении долгие годы, и это обещает много захватывающих новых идей в отношении различных астрофизических процессов».
Звездообразование в сверхмассивных черных дырах
В другом исследовании Дилан Нельсон, исследователь MPA, смог продемонстрировать влияние черных дыр на галактики. «Звездообразующие галактики ярко сияют в синем свете их молодых звезд, пока внезапный эволюционный сдвиг не прекратит формирование звезды, так что в галактике преобладают старые красные звезды.»
«Единственным физическим объектом, способным погасить звездообразование в наших больших эллиптических галактиках, являются сверхмассивные черные дыры в их центрах», — объясняет Нельсон. «Сверхбыстрые оттоки этих гравитационных ловушек достигают скорости до 10 процентов скорости света и влияют на гигантские звездные системы, которые в миллиарды раз больше, чем сравнительно маленькая черная дыра».
Новые результаты для структуры галактик
IllustrisTNG также улучшает наше понимание иерархической структуры формирования галактик. Теоретики утверждают, что сначала должны образовываться маленькие галактики, а затем сливаться во все более крупные объекты, управляемые неустанным притяжением, которое создает сила тяжести. Многочисленные столкновения галактик буквально раздирают некоторые галактики и разбрасывают их звезды на широкие орбиты вокруг вновь созданных больших галактик, что должно дать галактикам слабый фон сияния звездного света. Эти предсказанные бледные звездные ореолы очень трудно наблюдать из-за их низкой поверхностной яркости, но IllustrisTNG смогла точно имитировать то, что нужно искать астрономам.
«Наши прогнозы теперь могут систематически проверяться наблюдателями, — говорит Анналиса Пиллепич, исследователь из MPIA, которая провела еще одно исследование наIllustrisTNG. «Это дает критический тест для теоретической модели формирования иерархической структуры галактик».
Больше информации: Volker Springel et al. First results from the IllustrisTNG simulations: matter and galaxy clustering, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2017). DOI: 10.1093/mnras/stx3304
Dylan Nelson et al. First results from the IllustrisTNG simulations: the galaxy colour bimodality, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2017). DOI: 10.1093/mnras/stx3040
Annalisa Pillepich et al. First results from the IllustrisTNG simulations: the stellar mass content of groups and clusters of galaxies, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2017). DOI: 10.1093/mnras/stx3112
The AREPO simulation code www.h-its.org/tap-software-de/arepo-code/