Процесс развития галактик оказался более многогранным, чем предполагалось ранее: новейшие космологические симуляции впервые демонстрируют их формирование практически без допущений. Эти модели дают возможность не только интерпретировать существующие данные, но и прогнозировать характеристики Вселенной, которые ранее были неизвестны.
Формирование галактик на протяжении длительного времени является предметом исследований астрофизиков, использующих для этого вычислительные модели. Эти расчеты обычно стартуют с анализа состояния ранней Вселенной, представлявшей собой почти однородную среду сразу после Большого взрыва, и демонстрируют, как гравитационные силы приводят к появлению различных структур: темная материя концентрируется в гало, газ охлаждается, что способствует образованию звезд и росту черных дыр.
Уже существующие проекты, такие как IllustrisTNG, EAGLE и SIMBA, продемонстрировали обнадеживающие результаты, воссоздавая множество характерных признаков галактик. Однако у них присутствуют и недостатки: из-за высоких вычислительных требований необходимо упрощать физические процессы, например, искусственно сглаживать холодный газ или использовать упрощенные модели обратной связи от черных дыр и звезд.
В настоящее время ученые продемонстрировали проект COLIBRE — одну из наиболее совершенных космологических гидродинамических симуляций, доступных на сегодняшний день. Отличительной чертой этой разработки является стремление к более точному воспроизведению физики межзвездной среды, избегая существенных упрощений. В отличие от предшествующих моделей, в ней напрямую учитываются холодный газ, пыль, молекулы, а также сложные процессы охлаждения и химических изменений. Это имеет большое значение, так как именно в холодном газе формируются звезды, а характеристики этого газа влияют на внешний вид и дальнейшую эволюцию галактик.
С точки зрения технических характеристик, симуляции COLIBRE отличаются внушительным объемом: самые масштабные расчеты охватывают до 136 миллиардов частиц, имитирующих темную материю, газ и звезды. Для проведения этих вычислений исследователи применили передовые алгоритмы, основанные на расчете гравитации и гидродинамики, и повысили число частиц, представляющих темную материю. Такой подход позволил минимизировать влияние вычислительных ошибок, таких как неестественная передача энергии от темной материи к галактикам, и добиться более точного воспроизведения структуры галактик, включая их размеры и распределение массы.
В ходе исследования значительное внимание было уделено обратной связи – процессам, посредством которых звезды и сверхмассивные черные дыры воздействуют на окружающий газ. Фактически, взрывы сверхновых и активные ядра галактик способны нагревать и выбрасывать газ, что приводит к замедлению процесса звездообразования. В COLIBRE эти процессы описываются с большей детализацией, включая этапы, предшествующие взрывам сверхновых, и воздействие вращения черных дыр на выбросы вещества.
Чтобы симуляции соответствовали астрофизическим наблюдениям, была использована комбинация физически обоснованных моделей и машинной калибровки. Это позволило добиться значительного улучшения соответствия с фактическими данными: распределение масс галактик, их характеристики и размеры оказались согласованы с результатами наблюдений.
Авторы научной работы, опубликованной в журнале Ежемесячные известия Королевского астрономического общества, показали, что более реалистичное описание «мелкой» физики (газа, пыли и звездной обратной связи) существенно влияет на «крупную» картину Вселенной.
Ученые полагают, что подобные модели перестают быть лишь средством анализа информации и превращаются в настоящую лабораторию, позволяющую тестировать предположения о процессах формирования галактик и объяснять их современный вид.