Ученые воссоздали эволюцию галактик в «виртуальной Вселенной»

Астрофизики давно изучают формирование галактик с помощью численных симуляций. Расчеты в таких моделях начинаются с ранней Вселенной — практически однородной среды после Большого взрыва — и прослеживают, как под действием гравитации возникают структуры: темная материя собирается в гало, газ охлаждается, что приводит к формированию звезд и росту черных дыр. 

Уже существующие проекты, такие как IllustrisTNG, EAGLE и SIMBA, показали хорошие результаты, воспроизводя многие наблюдаемые характеристики галактик. Ограничения у них, тем не менее, есть: из-за вычислительных затрат приходится упрощать физику, например, искусственно «сглаживать» холодный газ или вводить приближенные модели обратной связи от черных дыр и звезд. 

Теперь исследователи представили проект COLIBRE — одну из самых продвинутых на сегодня серий космологических гидродинамических симуляций. Его ключевая особенность — попытка приблизиться к реальной физике межзвездной среды без грубых упрощений. В отличие от предыдущих моделей, здесь напрямую учитывается холодный газ, пыль, молекулы, а также сложные процессы охлаждения и химической эволюции. Это важно, поскольку именно в холодном газе рождаются звезды, а его свойства определяют внешний вид и судьбу галактик. 

С технической точки зрения симуляции COLIBRE впечатляют масштабом: крупнейшие расчеты включают до 136 миллиардов частиц, представляющих темную материю, газ и звезды. Для их создания ученые использовали усовершенствованные методы расчета гравитации и гидродинамики, а также увеличили число частиц темной материи. Подход позволил избежать численных артефактов — например, искусственной передачи энергии от темной материи к светилам, — и точнее воспроизвести структуру галактик, включая их размеры и распределение массы. 

Одна и та же галактика из симуляции в разных ракурсах. Слева она выглядит так, как могла бы наблюдаться телескопом: сверху — вид «в анфас», где видна спиральная структура и яркое яро, снизу — вид с боку, где заметен тонкий диск. Изображения справа — распределения разных компонентов галактики: атомарного газа, молекулярного газа, из которого формируются звезды, и пыли. Верхний ряд соответствует виду сверху, нижний — виду сбоку. Такое представление демонстрирует внешний вид галактики и показывает, как внутри нее распределены газ и пыль.   / © arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2508.21126

Особое внимание исследователи уделили так называемой обратной связи — процессам, при которых звезды и сверхмассивные черные дыры влияют на окружающий газ. В реальности вспышки сверхновых и активные ядра галактик могут нагревать и выталкивать газ, подавляя звездообразование. В COLIBRE эти процессы моделируются более детально, включая стадии до взрыва сверхновых и влияние вращения черных дыр на выбросы вещества. 

Для соответствия симуляций наблюдениям астрофизики применили комбинацию физически мотивированных моделей и калибровки с помощью машинного обучения. В результате им удалось добиться хорошего совпадения с реальными данными: распределение масс галактик, их свойства и размеры согласуются с данными наблюдений.  

Пять кубов симуляций COLIBRE с длиной сторон от 25 до 400 микрометров. / © arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2508.21126

Авторы научной работы, опубликованной в журнале Monthly Notices of Royal Astronomical Society, показали, что более реалистичное описание «мелкой» физики (газа, пыли и звездной обратной связи) существенно влияет на «крупную» картину Вселенной. 

Такие симуляции, по мнению ученых, становятся не просто инструментом интерпретации данных, а полноценной лабораторией, где можно проверять гипотезы о том, как именно формируются галактики и почему выглядят так, какими мы наблюдаем их сегодня.