Космология

Релиз IllustrisTNG – наиболее совершенной модели вселенной

Отправлено: Февраль 11, 2018 в 10:43

Категория: «Переводы»

Развитие компьютерной техники помогло вывести моделирование процесса эволюции нашей вселенной на качественно новый уровень. Ученые получили новую информацию о влиянии черных дыр на распределение темной материи, больше узнали про формирование и распространение тяжелых элементов по космосу, а также о происхождении межзвездных магнитных полей.

Темная материя
Визуализация интенсивности ударных волн в космическом газе (синий) вокруг компактных структур темной материи (оранжевый и белый). Газ в этих ударных волнах ускоряется при столкновении с галактическими нитями.
IllustrisTNG collaboration

Руководителем проекта выступил Фолькер Спрингел (Volker Springel) – старший научный сотрудник в Институте теоретических исследований имени Гейдельберга. В работе принимали участие астрофизики из Института астрономии (MPIA) и астрофизики (MPA) общества Макса Планка, Гарвардского университета, Массачусетского технологического института и Центра вычислительной астрофизики (CCA). Новая компьютерная модель вселенной получила название «Illustris: следующее поколение» или IllustrisTNG.

«Наша модель является самым продвинутым симулятором такого рода», говорит Шей Генэл (Shy Genel), научный сотрудник из CCA, который принимал участие в разработке и отладке IllustrisTNG. Детали и масштаб моделирования позволили Генэлу изучить формирование, развитие и рост галактик в связке с протекающим в них процессом звездообразования. «Когда мы наблюдаем галактики с помощью телескопа, то можем измерить только определенные показатели», – говорит он. «Применяя моделирование мы можем отслеживать все свойства для всех галактик. И не только на текущий момент времени, а на протяжении всех этапов эволюции». Ученый считает, что подобного рода симуляции помогут нам больше узнать о том, как зародился Млечный Путь, когда сформировалась Земля и что произойдет с нашей галактикой в будущем.

Плотность и температура газа
Тонкий срез крупномасштабной космической структуры, полученной в результате симуляции по проекту IllustrisTNG. Уровень яркости отражает плотность, а цветом показана средняя температура газа обычного («барионного») вещества. На изображении видна область пространства примерно в 1,2 миллиарда световых лет слева направо. На данный момент — это наиболее масштабная магнитогидродинамическая модель формирования галактик, состоящая из более чем 30 миллиардов элементов.
IllustrisTNG collaboration

Марк Фогельсбергер (Mark Vogelsberger), доцент физики в MIT и Институте астрофизики и космических исследований имени Кавли, занимается разработкой, тестированием и анализом новых симуляций в рамках IllustrisTNG. Совместно с докторантами Федерико Мариначчи (Federico Marinacci) и Полом Торри (Paul Torrey), Фогельсбергер применяет IllustrisTNG для изучения структуры крупномасштабных магнитных полей, которые пронизывают вселенную.

«Высокое разрешение IllustrisTNG в сочетании с его сложной моделью формирования галактик позволило нам более подробно изучить вопрос магнитных полей. Предыдущие космологические симуляторы не давали такой точности», – сказал Фогельсбергер, один из авторов трех работ, недавно опубликованных в «Ежемесячных уведомлениях» Королевского астрономического общества (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society).

Скорость газа
Визуализация скорости газа на тонком срезе (100 килопарсек по ширине). В центре расположена вторая по размеру галактика из симуляции TNG100. Там, где изображение черное – газ почти не двигается, а белые области имеют скорости, превышающие 1000 километров в секунду. По изображению можно сопоставить движение газа в нитях, соединяющих галактики, с быстрым хаотическим движением, обусловленным гравитационным влиянием сверхмассивной черной дыры в центре.
IllustrisTNG collaboration

Реалистичное моделирование вселенной

IllustrisTNG является моделью-преемником оригинальной симуляции Illustris, разработанной той же исследовательской группой, но она была обновлена и включила в себя ряд физических процессов, которые играют решающую роль в формировании и эволюции галактик.

Как и в Illustris, проект моделирует кубическую вселенную, которая меньше, чем наша. На этот раз в рамках проекта проводилась симуляция формирования миллионов галактик в области размером 1 миллиард световых лет на грань. В предыдущей версии, разработанной четыре года назад, одна сторона имела длину 350 миллионов световых лет. «На сегодняшний день lllustrisTNG – это крупнейший проект гидродинамического моделирования для космических структур», отмечает Спрингел из Гейдельбергского университета.

Сила межзвездного магнитного поля: синие и фиолетовые области, расположенные вдоль нитей космического полотна, обладают низкой магнитной энергией, в то время как оранжевые и белые регионы демонстрируют значительную магнитную энергию внутри гало и галактик. На видео показан процесс эволюции для области со стороной в 10 мегапарсек. The TNG Collaboration

Сеть из космической пыли и темной материи, смоделированная в рамках IllustrisTNG, формирует галактики, по форме и размеру очень похожие на реальные. Гидродинамическое моделирование впервые смогло рассчитать подробную картину кластеризации галактик в космосе. Если сравнивать результат симуляции IllustrisTNG с данными реальных наблюдений, например, такими которые предоставляет Слоуновский цифровой небесный обзор (SDSS), то можно отметить высокий уровень реализма.

Кроме того, моделирование показывает, каким образом структура вселенной может меняться со временем, включая распределение темной материи, которая и лежит в ее основе. «Особенно интересен тот факт, что мы можем точно предсказать влияние сверхмассивных черных дыр на распределение вещества внутри огромных регионов», – говорит Спрингел. «Это важный шаг, который поможет нам в будущем правильно интерпретировать измерение тех или иных космологических характеристик».

Сравнение моделей распределения межгалактического газа (массы) в TNG100-1 и Illustris-1. Области низкой плотности (черный и темно-синий) превращаются в космические нити (желтый и зеленый), затем в газовые гало (светло-голубой) и отдельные галактики (белый). Эволюция моделируется в той же самой области со стороной 10 мегапарсек. The TNG Collaboration

Астрофизики и суперкомпьютеры

В рамках проекта учеными был создан высокопроизводительный код AREPO, отлично подходящий для параллельных вычислений. Для симуляции использовался суперкомпьютер Hazel Hen – самый мощный в Германии, расположенный в Центре высокопроизводительных вычислений в Штутгарте. Одна из двух основных симуляций в течение более чем двух месяцев выполнялась на 24 000 процессоров. По словам Спрингела в результате моделирования было получено более 500 терабайт выходных данных: «На анализ такого объема данных уйдет не один год, а на выходе мы, наверняка, получим немало интересных идей, касающихся различных астрофизических процессов».

Взгляд снаружи на область со стороной в 10 мегапарсек, сравниваются модели Illustris (слева) и TNG100 (справа). Видео демонстрирует изменение температуры газа (синий – холодный, зеленый – теплый, белый – горячий). В обоих случаях быстрые колебания температуры и вспышки на узлах космической сети обусловлены такими высокоэнергетическими процессами как взрывы сверхновых и возникновение горячих, высокоскоростных ветров вблизи сверхмассивных черных дыр.The TNG Collaboration

Сверхмассивные черные дыры и формирование звезд

В другом исследовании Дилан Нельсон, исследователь в MPA, смог продемонстрировать влияние черных дыр на галактики. Звездообразующие галактики ярко сияют в синем свете их молодых звезд, пока внезапный эволюционный сдвиг не прерывает процесс формирования звезд, и тогда в галактике начинают преобладать старые красные звезды и она превращаются в одну из старых и «мертвых» галактик.

«Единственным физическим объектом, способным остановить звездообразование в больших эллиптических галактиках, являются сверхмассивные черные дыры в их центре», – объясняет Нельсон. «Эти гравитационные ловушки с их джетами также способны создавать дополнительные сверхбыстрые потоки газа (до 10% скорости света) и таким образом влиять на гигантские звездные системы, которые в миллиарды раз больше, чем сравнительно маленькая черная дыра».

В каждом представлении показан другой результат моделирования (слева направо, сверху вниз): плотность газового вещества, плотность темного вещества, звездная масса, напряженность магнитного поля, температура газа, газовая металличность (относительная концентрация элементов тяжелее гелия), скорость газа и распределение кислорода в пятом ионизированном состоянии (O5+). В каждом представлении показана одна и та же область пространства, причем все эти компоненты моделируются с учетом совместного влияния. The TNG Collaboration

Исследование структуры галактик

IllustrisTNG также улучшает наше понимание иерархической структуры формирования галактик. Теоретики утверждают, что сначала должны образовываться маленькие галактики, которые, под воздействием гравитации, затем сливаются во все более крупные объекты. Многочисленные столкновения буквально разрывают некоторые галактики и разбрасывают их звезды на широкие орбиты вокруг вновь образованных больших галактик. В результате этого процесса вокруг галактик должно возникать слабое фоновое свечение. Эти предсказанные тусклые ореолы очень трудно наблюдать из-за их низкой яркости, но IllustrisTNG смогла точно имитировать то, что нужно искать астрономам.

«Наши прогнозы теперь могут систематически проверяться наблюдениями», – говорит Анналиса Пиллепич (Annalisa Pillepich), сотрудница MPIA, которая занимается изучением результатов IllustrisTNG. «Это серьезный тест для теоретической модели иерархических структур галактик».

Наиболее массивный кластер TNG300 с массой ореола примерно в 1015 раз больше массы Солнца. Вращение позволяет взглянуть на структуру под разными углами, время остановлено. Каждая из четырех областей демонстрирует одно и то же предсказанное рентгеновское излучение, а наложенные контуры показывают синхротронное излучение (электромагнитное излучение от заряженных частиц, движущихся в магнитном поле с релятивистскими скоростями – прим. переводчика), как это наблюдал бы один из четырех радиотелескопов: VLA, LOFAR, ASKAP или SKA. The TNG Collaboration

Оригинал статьи: Astrophysicists release IllustrisTNG, the most advanced universe model of its kind