Вчені зробили симуляцію розвитку Всесвіту

Астрофізики представили проєкт COLIBRE — одну з найдетальніших на сьогодні серій космологічних гідродинамічних симуляцій. Вперше модель відтворює народження галактик без грубих фізичних спрощень, що дає змогу не лише пояснювати спостереження, а й передбачати раніше невідомі властивості Всесвіту.

Чисельні симуляції формування галактик існують давно. Розрахунки в таких моделях починаються з раннього Всесвіту — практично однорідного середовища після Великого вибуху — і відстежують, як під дією гравітації виникають структури: темна матерія збирається в гало, газ охолоджується, що призводить до утворення зір і зростання чорних дір.

Попередні проєкти — Illus­trisT­NG, EAGLE і SIMBA — показали хороші результати, відтворюючи чимало спостережуваних характеристик галактик. Проте через обчислювальні обмеження їм доводилося спрощувати фізику: штучно «згладжувати» холодний газ або використовувати наближені моделі зворотного зв’язку від чорних дір і зір.

COLIBRE підходить до проблеми інакше. На відміну від попередників, тут безпосередньо враховуються холодний газ, пил, молекули, а також складні процеси охолодження і хімічної еволюції. Це принципово важливо, адже саме в холодному газі народжуються зорі, а його властивості визначають зовнішній вигляд і долю галактик.

З технічного погляду масштаб симуляцій вражає: найбільші розрахунки охоплюють до 136 мільярдів частинок, що представляють темну матерію, газ і зорі. Вдосконалені методи розрахунку гравітації та гідродинаміки дали змогу уникнути чисельних артефактів — зокрема, штучної передачі енергії від темної матерії до світил — і точніше відтворити структуру галактик, їхні розміри та розподіл маси.

Окрему увагу дослідники приділили так званому зворотному зв’язку — процесам, за яких зорі й надмасивні чорні діри впливають на навколишній газ. Спалахи наднових і активні ядра галактик можуть нагрівати та виштовхувати газ, пригнічуючи зореутворення. У COLIBRE ці процеси змодельовано детальніше, з урахуванням стадій до вибуху наднових і впливу обертання чорних дір на викиди речовини.

Для узгодження симуляцій із спостереженнями астрофізики застосували комбінацію фізично обґрунтованих моделей і калібрування за допомогою машинного навчання. У підсумку розподіл мас галактик, їхні властивості та розміри добре збігаються з реальними даними.

На думку вчених, такі симуляції стають повноцінною лабораторією, де можна перевіряти гіпотези про те, як саме формуються галактики і чому вони виглядають такими, якими ми їх спостерігаємо сьогодні.