Компьютерное моделирование галактик, растущих в течение миллиардов лет, выявило вероятный сценарий того, как они питаются: космическая версия вихревых соломинок.
Результаты показывают, что холодный газ - топливо для звезд - спиралевидно закручивается в ядра галактик по нитям, быстро пробираясь к их "внутренностям". Оказавшись там, газ превращается в новые звезды, а галактики набирают массу.
«Формирование галактик действительно хаотично», - сказал Кайл Стюарт, ведущий автор нового исследования, опубликованного в выпуске Astrophysical Journal от 20 мая. «Нам потребовалось несколько сотен компьютерных процессоров в течение нескольких месяцев, чтобы смоделировать и узнать больше о том, как работает этот процесс. Стюарт, который сейчас работает в Калифорнийском баптистском университете в Риверсайде, Калифорния, выполнил большую часть этой работы, работая в Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния.
В ранней Вселенной галактики формировались из комков материи, соединенных нитями в гигантскую космическую паутину. Внутри галактик самородки газа охлаждались и конденсировались, становясь достаточно плотными, чтобы спровоцировать рождение звезд. Так образовалась наша спиральная галактика Млечный Путь и миллиарды ее звезд.
Предыдущая стандартная модель образования галактик утверждала, что горячий газ погружался в центры растущих галактик со всех сторон. Считалось, что газовые облака сталкиваются друг с другом, создавая ударные волны, которые затем нагревают газ. Этот процесс похож на струи, создающие звуковые удары, только в случае с галактиками падающий газ движется быстрее скорости звука, накапливаясь в волны. В конце концов, газ остывает и опускается к галактическому центру. Предполагалось, что этот процесс будет медленным и займет до 8 миллиардов лет.
Недавние исследования опровергли этот сценарий в галактиках меньшего размера, показав, что газ не нагревается. Вместо этого была предложена альтернативная теория формирования галактик «холодного режима», предполагающая, что холодный газ может направляться вдоль волокон в центры галактик. Стюарт и его коллеги решили проверить эту теорию и раскрыть тайны того, как холодный газ попадает в галактики, а также скорость, с которой он движется по спирали.
Поскольку для наблюдения за ростом галактики потребуются миллиарды лет, команда смоделировала этот процесс с помощью суперкомпьютеров в JPL; Исследовательский центр Эймса НАСА, Моффет Филд, Калифорния; и Калифорнийский университет в Ирвине. Они провели четыре различных моделирования формирования галактики, подобной нашей Млечному Пути, начиная всего с 57 миллионов лет после Большого взрыва и до наших дней.
Моделирование началось с исходных компонентов для галактик - водорода, гелия и темной материи - а затем они позволили законам физики создать свои галактические шедевры. Суперкомпьютеры нужны из-за огромного количества взаимодействий.
«Моделирование похоже на гигантскую игру в шахматы», - говорит Элисон Брукс, соавтор статьи и эксперт по моделированию галактик из Висконсинского университета в Мэдисоне. «Для каждого момента времени мы должны вычислить, как данная частица - наша шахматная фигура - должна двигаться, основываясь на положениях всех других частиц. В моделировании задействованы десятки миллионов частиц, поэтому выяснить, как гравитационные силы воздействуют на каждую частицу отнимает много времени."
Когда галактические смеси были готовы, исследователи изучили данные, найдя новые подсказки о том, как холодный газ погружается в центры галактик. Новые результаты подтверждают, что холодный газ течет вдоль нитей, и впервые показывают, что газ вращается быстрее, чем считалось ранее. Моделирование также показало, что газ движется вниз к центрам галактик быстрее, чем это происходит в «горячем режиме» формирования галактик, примерно за 1 миллиард лет.
«Мы обнаружили, что нитевидные структуры, на которых построены галактики, являются ключом к тому, как они строятся с течением времени, эффективно насыщая их газом», - сказал Леонидас Мустакас, соавтор JPL.
Исследователи также обратили внимание на темную материю - невидимую субстанцию, составляющую около 85 процентов материи во Вселенной. Галактики формируются из сгустков обычной материи, так называемой барионной материи, состоящей из атомов, и темной материи. Моделирование показало, что темная материя также вращается с большей скоростью вдоль нитей, закручиваясь по спирали в центры галактик.
Результаты помогают ответить на загадку астрономии о галактиках с большими протяженными дисками вещества, вращающимися вокруг них, далеко от их центров. Исследователи не понимали, как внешний материал может вращаться так быстро. Холодный режим позволяет быстро вращаться, добавляя еще один фрагмент головоломки в головоломку о том, как растут галактики.
«Цель моделирования галактик - сравнить их с тем, что наблюдают телескопы, и посмотреть, действительно ли мы понимаем, как построить галактику», - сказал Стюарт. «Это помогает нам понять реальную вселенную».
Другие авторы статьи: Джеймс Буллок из Калифорнийского университета в Ирвине; Арие Маллер из Технологического колледжа Нью-Йорка, Бруклин, Нью-Йорк, Юрг Диманд из Цюрихского университета, Швейцария; и Джеймс Уодсли из Университета Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада.
JPL управляется Калифорнийским технологическим институтом в Пасадене для НАСА.