Астрофизики выпускают IllustrisTNG, самую передовую модель Вселенной

0 1 225

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 сформировалась и как наша галактика может измениться в будущем, говорит он.

Моделирование образования галактик
Тонкий срез через космическую крупномасштабную структуру в крупнейшей симуляции проекта IllustrisTNG. Отображаемая область простирается примерно на 1,2 миллиарда световых лет слева направо. Основное моделирование в настоящее является крупнейшим магнитогидродинамическим моделированием образования галактик, содержащим более 30 миллиардов элементов. Изображение: IllustrisTNG collaboration

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.

Смотрите также  Квантовые флуктуации способны передвинуть макрообъект

«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.

Распрастранение газа в срезе толщиной 100 килопарсек (в направлении просмотра). Там, где изображение черное, почти не двигается, а белые области имеют скорости, превышающие 1000 километров в секунду. Изображение: IllustrisTNG collaboration

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. « этой огромной горы данных будет держать нас в напряжении долгие годы, и это обещает много захватывающих новых идей в отношении различных астрофизических процессов».

Смотрите также  Вращение астероида Бенну ускоряется со временем

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 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».

Смотрите также  Туманность Андромеды оказалось не такой большой, как считалось ранее

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/

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x