Космологи представили результати однієї з найдетальніших на сьогодні космологічних симуляцій — ASTRID. Вона простежує еволюцію галактик і масивних чорних дір від раннього Всесвіту до нашого часу (z = 0) і має стати важливим інструментом для розв’язання загадок, які поставив перед наукою телескоп Джеймса Вебба. Про роботу розповідає Universe Today.
Результати описані в статті «The ASTRID Simulation at z = 0: From Massive Black Holes to Large-scale Structure» в журналі The Astrophysical Journal. Провідний автор — аспірант кафедри фізики Університету Карнегі-Меллона Їхао Чжоу (Yihao Zhou).
Що таке ASTRID і чим вона вирізняється
ASTRID — це велика гідродинамічна космологічна симуляція, яка моделює одночасно темну матерію, газ, зореутворення та масивні чорні діри. Вона містить приблизно 0,33 трильйона частинок у кубі розміром 370 мегапарсеків з кожного боку, що робить її однією з найбільших симуляцій, доведених до z = 0, тобто до сьогодення.
За обсягом ASTRID поступається, наприклад, MillenniumTNG (близько 740 Мпк з боку, що дає приблизно у вісім разів більший об’єм), але компенсує це набагато вищою роздільною здатністю завдяки більшій кількості частинок. Вона також перевершує за масштабом деякі відомі проєкти, як-от TNG300.
Симуляція стартувала при z = 99, тобто на етапі так званого Космічного світанку, і була «прокручена» до z = 0. У термінах космології z — це червоний зсув, міра того, наскільки розтягнулося світло через розширення Всесвіту. z = 0 відповідає теперішньому часу.
Всесвіт, наповнений чорними дірами
Однією з головних особливостей ASTRID є велика популяція масивних чорних дір (MBH). У симуляції вони охоплюють широкий діапазон мас — від приблизно 4 × 10⁴ до 2 × 10¹¹ мас Сонця, тобто майже сім порядків величини.
На візуалізаціях ASTRID показує, як ці чорні діри розташовані в космічній павутині та в скупченнях галактик. Наприклад, на одному з кадрів при z = 0,5 видно велику ділянку космічної структури, де червоними та жовтими «шпильками» позначені чорні діри масою понад 100 мільйонів сонячних мас. Такі об’єкти добре відстежують великомасштабну структуру Всесвіту.
Жовтий колір відповідає чорним дірам у режимі високого акреції — квазарному, зазвичай у галактиках з активним зореутворенням. Червоний — це низькоакреційний, «джетовий» режим, типовий для спокійних, майже не зоретворних галактик.
За словами керівниці проєкту ASTRID, професорки Тіціани Ді Маттео (Tiziana Di Matteo), симуляція відстежує ріст чорних дір від моменту їхнього формування до сьогодення, паралельно з еволюцією галактик, у яких вони живуть.
Від загадок JWST до гравітаційних хвиль
Спостереження JWST показали, що вже в дуже ранньому Всесвіті існували добре сформовані галактики та надмасивні чорні діри. Це важко пояснити стандартними моделями росту структур. ASTRID покликана допомогти розібратися з цими «надто дорослими» об’єктами на ранніх етапах.
Ді Маттео зазначає, що велика об’ємна вибірка та висока роздільна здатність ASTRID дають змогу робити прогнози й перевіряти, які сценарії формування галактик і чорних дір узгоджуються з даними JWST, а які — ні.
Окрема сильна сторона симуляції — моделювання динамічного тертя, завдяки чому краще описується те, як чорні діри поступово «тонуть» у центрах галактик і коли саме відбуваються їхні злиття. За словами Ді Маттео, це дає більш реалістичні орбіти та часові масштаби злиттів чорних дір.
Це безпосередньо пов’язано з гравітаційними хвилями — «хвилями» у просторі-часі, які виникають, коли зливаються масивні об’єкти. ASTRID моделює середовища, де відбуваються такі події, і може підказати, де майбутні обсерваторії, як-от космічний детектор LISA, найімовірніше зафіксують сигнали від злиттів масивних чорних дір.
У статті автори зазначають, що ASTRID включає масивні чорні діри в діапазоні майже семи порядків мас і реєструє понад 3 мільйони злиттів таких об’єктів. Це охоплює джерела гравітаційних хвиль, на які націлені як LISA, так і наземні масиви типу Pulsar Timing Array.
Насіння надмасивних чорних дір і «червоні цятки» JWST
Одне з ключових питань астрофізики — як утворилися «насіння» надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті. JWST виявив так звані Little Red Dots — компактні, дуже червоні об’єкти, які можуть бути кандидатами на такі насіння.
ASTRID дозволяє «програвати» різні моделі утворення насіння чорних дір і дивитися, до яких спостережних наслідків вони призводять. Це допомагає з’ясувати, які фізичні процеси могли запустити ріст перших надмасивних чорних дір і чи можуть об’єкти на кшталт Little Red Dots справді бути їхніми попередниками.
Від великомасштабної структури до центрів галактик
Симуляція ASTRID охоплює шлях від космічної павутини — ниток темної матерії та скупчень галактик — до надмасивних чорних дір у центрах окремих галактик і їхніх злиттів. Висока роздільна здатність дає змогу моделювати процеси в деталях, недоступних для попередніх великих симуляцій.
У своїй роботі автори підкреслюють, що ASTRID забезпечує поліпшений опис динаміки масивних чорних дір, реалістичні швидкості та траєкторії, а отже — кращі прогнози для середовищ злиттів і частоти таких подій.
Такі суперкомп’ютерні моделі беруть відомі фізичні закони та початкові умови й дозволяють «виростити» числовий Всесвіт. Якщо симуляція відтворює те, що ми спостерігаємо сьогодні, це означає, що наші теорії рухаються у правильному напрямку.
Як підсумовує Їхао Чжоу, ми не можемо «перемотати» справжній Всесвіт назад, а спостереження далеких галактик обмежені роздільною здатністю. Натомість суперкомп’ютери дають змогу простежити еволюцію зірок і масивних чорних дір протягом усього космічного часу та поєднати теорію з реальними спостереженнями. Дані ASTRID при z = 0 вже відкриті для наукової спільноти.