Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

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 в галактику и из нее: понимание этого цикла – именно та часть исследований, как наблюдательных, так и теоретических, к которой сейчас прилагается особенно много усилий

Поскольку сила гравитационного захвата зависит от массы, легче удалить газ из гало с малой массой (например, из галактик-спутников в моделировании), чем из более массивных (таких, как родительское гало, с которым связана субструктура).

Рассмотрим формирование галактики, подобной Млечному Пути. Большое гало образуется в результате срастания небольших скоплений темной материи, постепенно создавая массивное гало, которое окружено множеством субгало. В то же время в них накапливаются барионы – газ. В самой плотной – центральной – части гало существует основа, которая станет диском галактики, а вокруг диска начинают формироваться протоспутники.

В какой-то момент в галактике запускается процесс формирования звезд. Вполне возможно, что звезды, которые образуются внутри отдельного субгало (карликовой галактики), через несколько миллионов лет при взрыве первых сверхновых истребят в нем весь газ. Фактически они погасят сами себя: энергия, выделяемая сверхновыми, сопоставима с энергией гравитационной связи карлика или даже больше нее. Образование звезд, происходящее в развивающемся диске, также оказывает давление на окружающих карликов, омывая их звездным излучением и взрывая их ветром от сверхновых и звезд. Если в центре галактики начинает расти сверхмассивная черная дыра, то может высвобождаться еще больше энергии обратной связи. Как песчаный замок, который смывает прилив, газ может быть удален из субгало. Если верить наблюдениям, некоторые из более массивных спутников могут сохранять часть своего газа, образуя видимых компаньонов, которые сохранятся до наших дней. Конечно, это всего лишь гипотеза; возможно, симуляции неправильны и создают слишком много субструктур во Вселенной. Сложившееся положение в парадигме «Лямбда-CDM» – источник хоть и беспокойства, но все же не паники, и напоминает нам что еще мы должны сделать.

Возможно, природа темной материи отличается от описанной нами модели: прелесть симуляций в том и заключается, что вы можете перестроить Вселенную с новым набором правил. Например, если сделать темную материю немного теплее, то та же симуляция Водолея не даст столько субгало, и эта картина будет более точно соответствовать количеству спутников, реально наблюдаемых в природе, что может оказаться важной подсказкой. Пока у нас нет эмпирических данных о свойствах самой темной материи (например, что это за частица) или наблюдениях, которые могут указывать на точность той или иной модели, она остается одной из главных загадок формирования галактик.

Изображение показывает распределение и температуру газа в большой части моделируемой Вселенной: более яркие белые оттенки – это области, где газ горячий (миллионы градусов), тогда как красно-оранжевые цвета обозначают более холодные области. Изучая потоки газа в галактике в ходе компьютерного моделирования, мы надеемся лучше понять процессы формирования и эволюции галактик при взаимодействии гравитационных сил и обратной связи, возникающей, когда звезды и черные дыры выбрасывают огромное количество энергии в окружающую среду

Теория и моделирование позволили нам исследовать процесс образования галактик из изначального хаоса, используя наилучшие предположения для рассматриваемой физики. Больше всего меня удивляет в нем то, как очень сложные системы со структурой и порядком в огромном диапазоне масштабов эволюционировали из начальных условий с помощью набора относительно простых правил, управляющих движением и поведением самых базовых элементов – частиц материи.

Самая наглядная иллюстрация этого – красивые спиральные рукава галактик в нашей части Вселенной. Как эти световые вертушки сформировались и продолжают существовать?

Формирование галактик

Мы говорили о том, как галактики первоначально образовались в результате коллапса флуктуаций плотности в море материи. Газ, направленный в одну из этих «избыточных плотностей», может образовать сплющенный вращающийся диск, потому что общий сгусток вещества, из которого коллапсировала протогалактика, имел большой момент импульса: он вращался из-за гравитационных приливных моментов и взаимодействий внутри большого объема распределяющейся материи. По мере того как гало подвергается действию гравитации, этот момент сохраняется (одно из основных правил физики, знакомое по школе), и галактика «раскручивается», сокращаясь и уменьшаясь в радиусе. При таком вращении барионы оседают на вращающемся диске, напоминающем раскручиваемый кусок теста для пиццы.