Главной задачей астрофизики, по большому счету, является попытка описать мир вокруг нас на языке математики. Иметь такое описание — значит уметь предсказать его состояние в любой момент времени. Кеплер, описавший движения планет с помощью своих трех законов, дал нам возможность в любую секунду узнать, где сейчас находится Юпитер, Земля или любая планета во Вселенной, если нам известны некие исходные данные. Ту же самую задачу, но уже в масштабах всей Вселенной, ставят перед собой создатели космологических симуляций.
Все симуляции, описанные в первой части материала, в основе своей имеют принцип Dark Matter only, то есть Вселенная в их представлении состоит только из участков темной матери большей или меньшей плотности, но нет ни протонов, ни нейтронов, ни электронов. На первый взгляд, это кажется слишком нереалистичным допущением, но на самом деле оно вполне оправдано. Дело в том, что темной материи во Вселенной в пять раз больше, чем всей барионной (привычных нам звезд, планет, черных дыр, людей и комаров), и именно темная материя определяла развитие нашей Вселенной во время формирования большинства галактик.
Современная космология выделяет три основных эпохи Вселенной:
Эпоха доминирования излучения в первые 47 тысяч лет после Большого взрыва, когда температура была настолько высока, что именно электромагнитное излучение, а не гравитация или что-либо еще определяло, с какой скоростью расширяется Вселенная и как именно ведут себя частицы.
Эпоха доминирования вещества — самая длительная по времени, началась сразу после эпохи радиации и закончилась через 9.8 миллиарда лет. В это время Вселенная остыла и гравитационное влияние материи (в основном темной) начало основной вклад в процессы, происходящие во Вселенной (и да, ее расширение в это время замедлялось!)
Последней эпохой, в которую довелось жить нам и которая по современным моделям космологов никогда не кончится, называется эпохой доминирования темной энергии. Именно эта загадочная энергия, котоую можно охарактеризовать как нечто, имеющее отрицательное давление, привело к тому, что расширение Вселенной снова стало ускоренным, и скопления галактик стали удаляться друг от друга.
Обычно в подобных симуляциях галактики и их скопления добавляют в получившуюся модель Вселенной уже после окончания расчетов — для этого используют известные из наблюдений соотношения между массой гало темной материи и массой галактики, которая должна там находиться. Но такой подход, конечно, способен вносить дополнительные ошибки и не может, конечно, полностью удовлетворить астрофизиков. Поэтому довольно долго ученые пытались создать космологическую симуляцию, в которой одновременно просчитывались бы не только темная материя, но и барионная. А если в такую модель добавить еще и химические процессы в галактиках, и магнитные поля, и распределение газа и вообще все на свете, было бы совсем хорошо.
Важнейшим шагом в этом направлении стала симуляция Illustris. Физическая модель, заложенная в нее, позволяет воспроизводить такие астрофизические процессы, которые не были реализованы нигде раньше:
- В реальном времени просчитывается охлаждение газа и его фотоионизация (образование плазмы под действием солнечной радиации);
- Учитывается звездообразование в галактиках (конечно, не каждой звезды в отдельности, но общий темп звездообразования в галактике зависит от ее характеристик и влияет на ее дальнейшую эволюцию) и состав межзвездного вещества;
- В галактике идет звездная эволюция, то есть звезды не только рождаются, но и стареют, умирают, возвращая тяжелые элементы в галактическое пространство. Отдельно просчитан химический состав гелия, углерода, азота, кислорода, неона, магния, кремния и железа. Кроме того, звезды в Illustris образуют сверхновые всех известных типов, черные дыры и даже активные ядра галактик.
- Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик оказывают влияние на движение газа и пыли в галактике, ионизирует водород, излучает радиоволны, то есть ведет себя как настоящий порядочный квазар.
Симуляция начинается с момента, когда прошло всего 11 миллионов лет после Большого взрыва. Использование модернизированного метода адаптивного измельчения сетки с помощью диаграмм Вороного позволило смоделировать поведение 6 миллиардов гидродинамических ячеек, занимающих куб с ребром порядка 347 миллионов световых лет.
Отдельно надо добавить, что проект Illustris стал первым, в котором реализована возможность получить результат вычислений в таком же виде, в каком астрономы-наблюдатели получают свои снимки ночного неба. Это большой шаг вперед, потому что попытки сравнить результаты предыдущих симуляций с наблюдениями неизбежно порождали новые ошибки и допущения. Теперь с этим покончено: Illustris может выдавать снимки, которые астрофизики будут обрабатывать стандартными инструментами, как будто файлы только что получены, например, космическим телескопом «Хаббл».
И к результатам Illustris.
Во-первых, плотность звездообразования в галактиках практически полностью совпадает с данными наблюдений на временном отрезке в 13 миллиардов лет;
Во-вторых, соотношение нейтрального водорода, молекулярных газов и тяжелых элементов в галактиках также совпадает с наблюдательными данными полученными для галактик, удаленных от нас на 8-10 миллиардов световых лет.
В-третьих, распределение галактик по морфологическим признакам (эллиптические, дисковые, лентикулярные и т.д.) не просто совпадает современным состоянием нашего скопления галактика, но и по данными наблюдений на инфракрасных телескопах правдоподобно описывает переход из неправильных в спиральные, затем в эллиптические. Подобная эволюция галактик позволяет объяснить, почему мы видим больше голубых спиральных галактик в прошлом, в то время как сейчас большинство составляют красные эллиптические галактики.
В-четвертых, очень важный результат симуляции Illustris состоит в правильном воспроизведении галактик-спутников. Эти небольшие галактики вращаются вокруг своих более массивных соседей и еще недавно астрономам были почти неизвестны. Скорее всего ряд карликовых галактик-спутников нашего Млечного Пути еще даже не открыт. Тем не менее, эти галактики очень важны для понимания многих процессов: в них другое распределение темной материи, они могут влиять на скорость образования звезд в галактике-матке, они могут (и должны) сталкиваться с ней, приводя к образованию турбулентных потоков газа. Это новая и очень «горячая» тема в астрофизике. И тот факт, что симуляция воспроизвела эти спутники в достаточном количестве, еще раз указывает на достоверность общей физической модели.
В то же время руководители проекта заявляют о некотором несоответствии между результатами Illustris и наблюдательными данными в том, что касается плотности внутренних областей галактик, находящихся далее чем в 8 миллиардах лет от нас, а также в количестве холодного газа в галактиках в современной Вселенной. Это может быть следствием как отдельных огрехов модели, так и того, что детализация расчетов для центральных областей галактик (где активные ядра галактик значимо влияют на распределение газа) оказалось недостаточной.
Тем не менее, в целом современные космологические симуляции стали достаточно совершенными, и они могут самостоятельно воспроизводить в своей виртуальной вселенной структуры, о которых мы пока имеем мало представления (те же галактики-спутники). И результаты этих симуляций могут подтолкнуть астрофизиков к новым неожиданным открытиям. Участники проекта выложили визуализированные результаты симуляции у себя на сайте и там легко можно сравнить, например, распределение темной материи или рентгеновского излучения во Вселенной.
В заключение стоит сказать, что использование компьютерных симуляций не ограничено только космологическими масштабами. Есть программы, которые рассчитывают поведение менее масштабных структур. Одна из них — проект Eris. Это совместная разработка астрофизиков университетов Цюриха и Калифорнии, который может воспроизводить эволюцию галактики наподобие нашей. Это первая симуляция, которая продемонстрировала правдоподобное строение сформировавшейся галактики. В частности, размер балджа у этой галактики был значительно меньше диска (что мы и наблюдаем у Млечного Пути). Результаты симуляции были опубликованы в 2011-м году и программа к удивлению ученых смогла правильно рассчитать распределение темной материи и плотных областей холодного водорода, где рождаются новые звезды. Кроме того, общее количество звезд, скорости их вращения и распределения по всему объему галактики также хорошо совпадали с нашими знаниями о Млечном Пути.
Марат Мусин