Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

разрешения для моделирования физики, скажем, звездообразующего облака в отдельной галактике. Можно увидеть, как газ перетекает в сгусток темной материи, достигая высокой плотности, но после этого мы должны использовать короткий путь, чтобы предсказать, сколько звезд образуется и с какой скоростью. Это называется физикой подсетей, потому что она требует предположений об эволюции в меньшем масштабе, чем может «увидеть» симуляция.

Когда к этим симуляциям добавляется газ, можно отслеживать его коэволюцию с темной материей. По мере того как гало темной материи растут от начальных возмущений в поле гладкой материи, часть газа «перетекает», притягиваясь той же самой неразличимой силой тяжести. Мы можем наблюдать за рождением галактик, анализируя, как газ направляется в гравитационную яму и как на него влияют процессы вроде образования звезд, вспышек сверхновых и роста черных дыр. Но моделирования показывают, что в гало не так много газа; он притягивается и ускоряется в направлении крупномасштабной волокнистой структуры, которая также формируется в объеме, обладающем значительной силой притяжения.

Также моделирование показывает, что во время этого процесса газ нагревается. Уровень нагрева в некоторой степени зависит от общей гравитационной энергии системы, поэтому газ, который всасывается в плотные кластеры, нагревается больше всего, вплоть до рентгеновских световых температур. Газ, поступающий в нити, нагревается только до нескольких миллионов градусов – это тепло-горячая межгалактическая среда. При этом распасться на галактики, образующиеся внутри этих нитей, газ может только после потери части этой энергии, что предотвращает конденсацию в галактиках значительной части общей массы барионов во Вселенной. Конечно, существует постоянный обмен: некоторая часть газа охлаждается в галактиках, обеспечивая новый источник топлива для формирования звезд. В то же время, однако, газ выбрасывается, и энергия возвращается в межгалактическую среду от самих галактик (как излучение от звезд, так и кинетическая энергия от потоков, как мы видели в M82). Так что за эти барионы идет непрерывная битва посредством гравитации и конкурирующих сил галактической обратной связи.

Рентгеновские и ультрафиолетовые исследования линий поглощения в некотором роде подтверждают существование неуловимого барионного компонента Вселенной. Эти наблюдения довольно сложны, и существует ограниченное количество элементарных «видов», которые можно использовать в качестве зондов, давая нам ограниченную картину тепло-горячих межгалактических сред. Хуже всего то, что для исследования линий с подсветкой требуется что-то яркое на заднем плане, чтобы на переднем мы могли увидеть контраст поглощающего вещества. В большинстве случаев «что-то яркое» – это далекие светящиеся квазары. Случайные выравнивания далеких квазаров с плотными частями тепло-горячих межгалактических сред редки, что еще сильнее ограничивает эти исследования «карандашами» – пучками лучей, исходящими от Земли. Это пример модели и моделирования, дающих четкий прогноз об эволюции и распределении газа во Вселенной, который можно проверить на основании наблюдений. Если тепло-горячие межгалактические среды обнаруживаются, то их трудно наблюдать, и требуются длительные экспозиции с помощью космических средств, главным образом спектрографа космического происхождения космического телескопа «Хаббл», который работает в УФ-диапазонах, или таких рентгеновских телескопов, как «Чандра» и ХММ-Newton, которые могут работать в рентгеновском спектре. Успешные находки (например, в Стене Скульптора) могут быть использованы при моделировании, обеспечивая жизненно важные эмпирические доказательства изобилия и распространения этого неуловимого материала. И это прекрасный пример теории и наблюдения, работающих вместе для развития наших знаний.

Существуют и некоторые противоречия между наблюдениями и числовыми моделями. Я упоминал выше, что симуляции N-тела ограничены разрешением: вы можете моделировать большой кусок Вселенной, содержащий миллионы галактик, но не можете моделировать сами галактики с огромным количеством деталей. В качестве альтернативы можно выбрать модель одной галактики с высоким разрешением, но не ее крупномасштабную среду. Моделирование очень большого N-тела было выполнено для изучения эволюции темной материи в отдельных галактиках или, скорее, гало, которые похожи на Млечный Путь. Техника заключается в том, чтобы взять симуляцию Вселенной в большом объеме, например «Моделирование “Миллениум”», а затем определить несколько галактик, которые вы хотите симулировать более подробно. Узнав местоположение этих систем, вы можете запустить новую симуляцию с той же физической моделью и начальными условиями, но просто сфокусированными на этих галактиках.

Один из последних проектов, перед которыми были поставлены такие цели, называется «Водолей»: для него отобрали шесть примеров гало, сформировавшихся в «Моделировании “Миллениум”», которые, как считается, аналогичны нашему Млечному Пути. В рамках этого проекта также проводятся новые симуляции N-тел, в которых используется до 200 млн частиц темной материи, представляющих каждую из этих систем (одна симуляция моделировала одно из гало с еще более высоким разрешением – с 1,5 млрд частиц). Результаты прекрасны (показаны сложные детали в распределении темной материи в гало), но все же не безупречны. Одна из проблем заключается в том, что при наблюдении структур гало галактик, похожих на Млечный Путь, в них обнаруживается огромное количество подструктур. Предполагается, что субгало – часть иерархической природы структурообразования – точно так же, как гало массивного скопления галактик, содержит субгало (совокупность отдельных галактик внутри него), одно гало галактики содержит дополнительные субгало. Мы знаем, что эта гало-субструктура существует, потому что вокруг галактик, подобных нашей, есть очевидные спутники, какими, например, являются самые большие спутники Млечного Пути – Большое и Малое Магеллановы Облака. Проблема заключается в их количестве, которое появляется в симуляциях. Наша Галактика не окружена тысячами спутников-карликов – по крайней мере, при доступном нам наблюдении их можно пересчитать по пальцам. Это явление называется «проблема исчезнувших карликовых галактик-спутников».

Одно из решений может дать физика барионов – поток газа и электромагнитное излучение в этих гало. Важно помнить, что симуляция N-тела показывает нам только эволюцию темной материи: эту материю на практике мы не видим, только ее гравитационные эффекты (по крайней мере, на данный момент). Возможно, эти спутники из темной материи действительно существуют, окружают галактику и вращаются вокруг нее, но при этом не содержат звезд или газа, как деревни-призраки в пригороде. Есть ли правдоподобное физическое объяснение, подтверждающее эту гипотезу? Как мы знаем, скопления темной материи аккрецируют барионы под действием силы тяжести, создавая залежи газа. Тем не менее этот газ можно удалить, если к барионам применить силу, которая позволит им преодолеть гравитационное сцепление.

Некоторые компьютерные симуляции также отслеживают эволюцию «нормальной» и темной материй. Это изображение показывает галактику, которая сформировалась в моделируемой Вселенной, заполненной всеми элементами, которые, исходя из наших знаний о космологии и физике формирования галактик, должны в ней содержаться. Красные цвета и потоки показывают прохладный газ, текущий в центральный зарождающийся диск, который образует звезды. Синие цвета и потоки – горячий газ, выходящий из диска и формирующий горячее гало вокруг галактики. Формирование галактики связано с потоками газа, направленными