Новое исследование объясняет, каким образом одна звезда способна изменить целую галактику.
Астрономы, моделирующие звездную систему, не всегда получают один и тот же результат, даже если запускают симуляцию с идентичными начальными условиями. Новое исследование Лейденского университета показывает, что это не ошибка, а следствие того, как работают сами галактики и как их моделируют. Результат впервые дает опору при ответе на вопрос: насколько хаотичен на самом деле Млечный Путь и ему подобные.
Исследователи создали сотни моделей галактик, похожих на Млечный Путь: плоские диски из звезд, погруженные в огромное невидимое облако темной материи, которое удерживает всю конструкцию вместе. В каждом эксперименте они запускали две почти идентичные симуляции с единственным микроскопическим отличием — например, небольшим сдвигом одной-единственной звезды. Со временем это различие перерастает в структурные расхождения: спиральные рукава закручиваются иначе, а центральная перемычка (бар) вращается по-другому.
Это смахивает на известный эффект бабочки: маленькие причины ведут к большим последствиям. В астрономии такое перекликается с одной старой идеей. Галактика содержит сотни миллиардов звезд, и поэтому должна вести себя как нечто цельное и текучее, где мелкие возмущения, наоборот, сглаживаются и усредняются. Это исследование показывает, что такая картинка неверна: как раз эти крошечные возмущения разрастаются до заметных различий.
«Довольно дико, что Млечный Путь, с таким количеством звезд, что его ожидаешь увидеть как гладкую систему, ведет себя настолько хаотично», — говорит Портегис Зварт.
Это напряжение и приводило к противоречивым результатам. Одни компьютерные симуляции показывали, что галактики становятся тем хаотичнее, чем больше звезд вы в них включаете, в то время как другие демонстрировали обратное.
Новое исследование Асано и Портегиса Зварта показывает, откуда берется это расхождение. Во многих симуляциях гравитацию на малых расстояниях «смягчают» (приглаживают), чтобы вычисления были стабильными и шли быстрее. Из-за этого звезды обрабатываются как маленькие облачка вместо точечных частиц, и как раз те сильные, ближние взаимодействия, которые и вызывают хаос, исчезают. Систематически меняя степень этого смягчения, исследователи показывают, в каком случае симуляция правильно отражает поведение реальной галактики, а в каком — нет.
Это дает важный практический вывод: не все симуляции одинаково надежны, если вы хотите понять поведение галактики в деталях. Некоторые особенности проявляются всегда — например, возникновение центральной перемычки из звезд, которая во всех симуляциях возникает примерно в один и тот же момент. Другие же свойства — вроде точной формы этой перемычки или структуры спиральных рукавов — наоборот, оказываются сильно зависимы от мельчайших различий. «Таким образом, Млечный Путь становится непредсказуемым уже примерно через миллион лет».