Суперкомпьютер информирует: нас окружают тёмные невидимки
Американские учёные применяли самый замечательный суперкомпьютер NASA для имитации формирования гало из чёрной материи, окружающей Млечный путь. Полученная модель оказалась на удивление подробной и рассказала большое количество занимательного об истории отечественной галактики.
Любая галактика окружена чёрной материей. Её нереально заметить при прямом наблюдении, но убедиться в существовании данной материи возможно косвенно — по её гравитационному действию. Это невидимое для устройств гало намного больше яркой центральной части и имеет фактически сферическую форму.
Недавние изучения продемонстрировали, что гало весьма «комковатое» по структуре. Но, как стало очевидным из новой модели, структура гало Млечного пути значительно более сложная, чем считалось ранее.
По словам исследователей, найдено практически 10 тысяч подструктур меньшего размера (субгало) — это многократно превосходят в любом втором прошлом изучении. А кое-какие из субгало, оказывается, имеют ещё и личные подструктуры — субсубгало. Теоретически такое предполагалось, но на модели это было продемонстрировано в первый раз , — говорит доктор наук университета Калифорнии в Санта-Круз (University of California Santa Cruz — UCSC) Пьеро Мадо (Piero Madau), проводивший это изучение.
Распределение чёрной материи в Млечном пути 13,3 миллиарда лет назад, через 460 миллионов лет по окончании Громадного Взрыва. Фактически, это начальные условия моделирования (иллюстрация J. Diemand, M. Kuhlen, P. Madau).
Астролог Юрг Диман (Jurg Diemand) из того же университета сказал, что результаты данной работы снова поднимают вопрос о так называемой «проблеме недостающего спутника». Неприятность эта содержится в том, что «скученность» материи в отечественной галактике и за её пределами в моделях не соответствует настоящим данным.
«Астрологи открываютближайшие карликовые галактики, но таких объектов известно около 15, в то время как в отечественной модели оказалось 120 субгало сопоставимого размера. Так где же находятся их галактики и из-за чего мы их не видим?..» — увы, Диман, задающий данный вопрос, ответа не знает, да и мы ему оказать помощь ничем не можем. Вправду, отчего же мы их не видим?
Распределение чёрной материи в Млечном пути в различные периоды. Верхний последовательность: 12,8, 12,0 и 10,3 миллиарда лет назад; нижний последовательность: 6,8, 3,4 миллиарда лет назад и настоящее время (иллюстрация J. Diemand, M. Kuhlen, P. Madau).
До тех пор пока что природа чёрной материи неизвестены, не смотря на то, что из неё, по оценкам учёных, состоит 82% вещества Вселенной. В итоге получается, что именно эта загадочная и незримая субстанция играется главную роль в масштабных развитии галактик и гравитационных взаимодействиях.
Их эволюция начинается именно с того, что «обычная» материя падает в «гравитационные колодцы», созданные сгущениями чёрной материи. После этого она попадает в их центры, подвергается сжатию со всеми вытекающими последствиями (разогрев, ядерные реакции) и в будущем даёт жизнь галактикам.
Применяя астрофизические эти, учёные UCSC воспроизвели механизм формирования сгустков чёрной материи. Процесс моделирования продолжался пара месяцев. Оно проводилось на Columbia — самом крутом из суперкомпьютеров NASA, применявшем от 300 до 400 процессоров, и заняло 320 тысяч часов процессорного времени.
Кстати, если доверять Диману, работа выполнена на пределе возможностей современной компьютерной техники.
Четыре самых больших субгало чёрной материи Сейчас. Как видно, в этих субгало находятся пятнышки мельче — субсубгало (иллюстрация J. Diemand, M. Kuhlen, P. Madau).
Как поведал соавтор работы Майкл Кален (Michael Kuhlen), для начальных условий употребляются самые последние эти, полученные от зонда микроволновой анизотропии имени Уилкинсона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe — WMAP; мы уже писали про другие открытия, сделанные с его помощью: I, II, III, IV). В общем, модель строилась не только из теоретических мыслей.
Начальный момент моделирования — Вселенная в возрасте каких-то 50 миллионов лет. В этом ходе анализировалось поведение чёрной материи (условно обозначенной в виде 234 миллионов частичек) от самого раннего времени до современного состояния, в то время, когда гало Млечного пути сформировалось в собственном нынешнем виде.
Карта распределения гамма-излучения, позванного, согласно мнению ученых, аннигиляцией в чёрной материи. На врезке слева — направление, противоположное перемещению к центру галактики.
Справа — самое большое субгало чёрной материи (иллюстрация J. Diemand, M. Kuhlen, P. Madau).
Первоначально отклонения плотности чёрной материи были малыми, но со временем появились неоднородности, каковые позднее стали более выраженными. После этого эти неоднородности начали неспешно вырабатывать сферическое гало. Имеете возможность взглянуть ролик (файл MPG; 4,7 мегабайта) с анимацией этого процесса.
Но в этих неоднородных туч время от времени удаётся выделить ещё меньшие неоднородности.
В модели гало учёные нашли пять массивных субгало (каждое по 30 миллионов весов Солнца) и множество гало ещё меньшего размера, занимающих около 10% всего количества гало.
Один из участников изучения — Майкл Кален. Нельзя исключать, что тут он иллюстрирует какой-то астрофизический процесс. Быть может, кроме того вращение Галактики (фото с сайта ucolick.org).
«В области, где имел возможность бы пребывать диск Млечного пути, находятся громадные скопления чёрной материи. И распределение чёрной материи тут может оказаться более сложным, чем мы думали», — согласился Диман.
Быть может, пронаблюдать чёрную материю астрологи смогут в будущем посредством гамма-телескопов. Действительно, лишь в том случае, если чёрная материя содержит такие частицы, при сотрудничестве которых излучается рентген. Один из самых возможных кандидатов — это нейтралино, элементарные частицы (ими учёные уже давно интересуются), предсказанные теорией суперсимметрии.
Предположительно, они при некоторых условиях смогут аннигилировать, в следствии чего будут оказаться долгожданные гамма-кванты.
«Существующие рентгеновские телескопы пока не зарегистрировали аннигиляции в регионах чёрной энергии, но имеется надежда, что в то время, когда аппаратура станет чувствительнее, отдельные субгало смогут показать себя», — вычисляет Кален.
В частности, астрологи ожидают занимательных результатов от громадного космического гамма-телескопа (Gamma-ray Large Area Space Telescope — GLAST), что пошлют на орбиту в следующем году (пускай заодно поищет «местные» чёрные дыры).
Часть суперкомпьютера Columbia, употреблявшегося для отслеживания эволюции чёрной материи (фото NASA Ames Research Center/Tom Trower).
Кстати, модель понадобится не только чтобы получить знания о до тех пор пока что невидимых скоплениях чёрной материи, но и для изучения самых древних звёзд отечественной галактики.
«Первые малые галактики сформировались весьма в далеком прошлом — около 500 миллионов лет по окончании Громадного Взрыва. А в отечественной галактике до сих пор имеется звёзды, сформировавшиеся в то время — эдакие ископаемые звёздной эволюции. Отечественная имитация растолковывает условия, в которых эти звёзды сформировались, да и то, как они попали в карликовые галактики, находящиеся в гало Млечного пути», — подытожил Диман.
