Супермассивные черные дыры являются неотъемлемой составляющей большинства галактик во Вселенной, но астрономы не совсем уверены, как они возникают и как они влияют на эволюцию галактик. Однако последствия этого влияния очевидны. Наблюдения предполагают, что эти сверхмассивные черные дыры могут стимулировать образование звезд в своих галактиках-хозяевах - или остановить их.
Чтобы понять, как развиваются черные дыры и как они влияют на формирование галактик, астрофизики все чаще обращаются к сложным космологическим моделям, программируемым на самых мощных суперкомпьютерах в мире. Результаты такого моделирования могут стать ключом к пониманию некоторых из самых больших тайн современной астрофизики.
Темная материя
Похожая на обширную трехмерную паутину, Вселенная заполнена темной материей. Этот невидимый «материал» составляет 84,5 процента всей массы во Вселенной, и, тем не менее, он не взаимодействует с электромагнитным излучением. Темная материя состоит из небарионных частиц, этот материал имеет имеет гравитационный эффект, который мы можем наблюдать косвенно. Мы знаем, где она находится, но не можем увидеть.
Поскольку существует так много темной материи, она доминирует в гравитационных взаимодействиях, преобладая над «островами» классической материи. Эти острова образуют массивные скопления галактик, связаные нитями темной материи, буквально как блестящие бусины нанизанные на невидимые струны.
Поскольку темная материя составляет большую часть космоса, она должна занимать центральное место в любой крупномасштабной симуляции Вселенной.
Создание виртуальной Вселенной
В самой амбициозной космической симуляции такого рода международная команда ученых создала свою собственную вселенную внутри компьютера, чтобы лучше понять крупномасштабную структуру космоса. Этот проект называетс Illustris-Next Generation (IllustrisTNG). Моделирование основывается на законах физики и показывает, как эволюционировала космическая паутина темной материи и сформировала нашу вселенную со времен Большого Взрыва.
Ученые построили IllustrisTNG, используя мощный код под названием AREPO, который они использовали на самом мощном суперкомпьютере Германии Hazel Hen. Проект является крупнейшей симуляцией на сегодняшний день и может моделировать появление космических структур. Ода из двух симуляций, для которой использовалось более 24 000 процессоров , заняла два месяца, результатом стала модель образования миллионов галактик в объеме, измеряющем один миллиард световых лет.
«Новые симуляции дали более 500 терабайт данных моделирования. Анализ этой огромной горы информации будет держать нас в напряжении долгие годы, и это обещает много захватывающих новых знаний о различных астрофизических процессах», - сказал главный исследователь Волкер Спрингель из Гейдельбергского университета , Германия.
Как черные дыры убивают
В одном из исследований, опубликованных в журнале "Monthly Notices" Королевского астрономического общества, было продемонстрировано влияние черных дыр на эволюцию галактики.
В развивающихся звездных галактиках доминирует яркий синий свет молодых звезд, обретающих новую жизнь. Однако с течением времени звездное образование резко останавливается, оставляя только старые красные карлики, которые становятся доминирующими в умирающих галактиках. Астрономы пытались лучше понять, что заставляет звездообразование останавливаться, и теперь, с помощью IllustrisTNG, исследователи надеются, что смоделированная вселенная может выявить механизм работы черных дыр, который может контролировать "плодовитость" целых галактик.
«Единственным физическим объектом, способным гасить звездообразование в наших больших эллиптических галактиках, являются сверхмассивные черные дыры в их центрах», - говорит Дилан Нельсон из Института астрофизики им. Макса Планка в Гархинге, Германия. «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».
Теоретические симуляции Вселенной могут помочь объяснить реальные наблюдения космоса. С IllustrisTNG астрофизики получили новый мощный инструмент для лучшего понимания таинственных явлений и, возможно, раскроют новые загадки о нашей постоянно расширяющейся Вселенной.
