В течение последних двадцати лет астрофизики пытались воссоздать процесс формирования спиральных галактик, к которым относится и Млечный путь. Наконец ученые из Университета Цюриха и Калифорнийского университета в Санта-Круз представили первую реалистичную математическую модель формирования нашей родной галактики. Моделирование было в основном проведено на суперкомпьютере швейцарского национального суперкомпьютерного центра. Моделирование, в частности, показывает, что на окраинах Млечного пути должны быть звезды.

Цель астрофизического моделирования состоит в том, чтобы моделировать реальные процессы с учетом нашего представления о физических законах и процессах, причем если в некоторых областях ученые могут воспользоваться реальным экспериментам, астрофизикам не дано создать в лаборатории галактику. Одновременно, исследуемые закономерности слишком сложны для аналитического решения, так что численное моделирование – неизбежный инструмент астрофизика. Точность моделирования проверяется астрономическими наблюдениями.

Моделирование таких глобальных процессов, как образование нашей галактики важно не только само по себе, удачное завершение такой работы доказывает, что теории и гипотезы о строении Вселенной, которыми мы пользуемся, в общих чертах верны. Все предыдущие попытки моделирования образования Млечного пути натыкались на одно из двух препятствий. Либо в центре галактики образовывалось слишком много звезд, либо общая масса звезд была в несколько раз больше реальной.

Группа ученых, руководимая Лючио Мейером из Университета Цюриха и Пьеро Мадау из Университета Калифорнии опубликовала первые реалистичные результаты численного моделирования формирования Млечного пути.

Для своего исследования ученые разработали сложную модель, в которой спиральная галактика, похожая на Млечный путь, развивается без внешних воздействий. Модель даже получила имя Эрида, в честь греческой богини разлада и борьбы, что символизирует многолетние споры вокруг природы спиральных галактик. С ее помощью можно проследить развитие галактики практически на всем времени ее существования. Начинается моделирование менее чем через миллион лет после Большого взрыва.

«Результаты нашего моделирования показывают, что образование спиральной галактики может быть объяснено в рамках парадигмы холодной темной материи и современных законов притяжения, гидродинамики и радиофизики», – говорит Мейер.

В ходе моделирования ученые выяснили, что в образовании, которое предположительно сможет трансформироваться в спиральную галактику звезды должны образовываться в областях гигантских облаков газа. В этих холодных облаках газы подвергаются воздействию чрезвычайно высокого давления. Образование и распределение звезд в этих регионах происходит неравномерно, вместо этого часто наблюдаются кластеры. Это в свою очередь приводит к большему нагреву за счет взрывов сверхновых.

Во время такого интенсивного накопления тепла, обычная материя исчезает с большим красным смещением. Это препятствует образованию диска в центре галактики. Уход обычной материи приводит к уменьшению массы газа в центре галактики, и, в результате, к реалистичной массе звезд в галактике. В конце моделирования ученые получили тонкий, изогнутый диск, полностью совпадающий с астрономическими наблюдениями Млечного пути в части массы, кинетического момента и скорости вращения.

Мейер уже проводил аналогичное моделирование раньше, его старая модель была улучшена. Теперь она позволяет моделировать образование и развитие галактики массой в 790 миллионов масс Солнца и включающей 18.6 миллионов частиц, из которых образуется газ, звезды и темная материя. Высокое разрешение модели совершенно необходимо при таких расчетах, но это привело к значительному машинному времени расчетов. Ученые использовали два суперкомпьютера. По их подсчетам, моделирование на обычном персонально компьютере заняло бы около 570 лет.

Моделирование подтвердило старые результаты Мейреа, посвященные формированию карликовых дисковых галактик, так что его новая модель подходит сразу для двую классов галактик – как малых, так и обычных. Более того, из моделирования можно заключить, что протогалактики с большим диском в центре, состоящим из газа и звезд, образовались через миллион лет после Большого взрыва, а значит, задолго до современных галактик.

Модель предполагает некоторое изменение в текущем принятом соотношении между холодной темной и обычной материей. Для того, чтобы получить верную массу звезд в галактике в конце моделирования (одна из главных проблем при таком моделировании) необходимо принять, что обычная материя уносится из центра галактики ветрами, образовавшимися при взрывах сверхновых. Согласно новой модели, соотношение между обычной материей и холодной темной материей на краю галактики составляет 1:9, а не 1:6, как принято считать.

Моделирование позволяет заглянуть во внешние области Млечного пути, отстоящие от нас на 600 тысяч световых лет. Быть может, следующее поколение космических телескопов сможет засечь эти далекие тусклые звезды и подтвердит или опровергнет предложенную модель. Аналогичные ожидания возлагаются на строящиеся или планируемые рентгеновские телескопы, которым предстоит проверить верность предсказания радиального распределения газов около центрального диска.