Суперкомпьютерное моделирование радиогалактики

Художественное представление того, как может выглядеть гигантский космический джет размером с расстояние между Млечным Путем и Андромедой (изображение только для иллюстрации). Автор: University of Pretoria

Благодаря суперкомпьютерам исследователи из Университета Претории (UP) возглавили международную группу астрономов, которая предоставила более глубокое представление о полном жизненном цикле (рождении, росте и смерти) гигантских радиогалактик, которые напоминают «космические фонтаны» — струи перегретого газа, выбрасываемые в почти пустое пространство из вращающихся сверхмассивных черных дыр.

Результаты этого прорывного исследования были опубликованыв журнале Astronomy & Astrophysics и бросают вызов известным теоретическим моделям, объясняя, как внегалактические космические фонтаны растут и покрывают такие колоссальные расстояния, поднимая новые вопросы о механизмах, лежащих в основе этих огромных космических структур.

Исследовательская группа, которую возглавлял астрофизик доктор Гураб Гири, имеющий постдокторскую стипендию Южноафриканской радиоастрономической обсерватории в Университете Паттайи, состояла из доцента Кшитиджа Тората и экстраординарного профессора Роджера Дина с факультета естественных и сельскохозяйственных наук Университета Паттайи; профессора Джойдипа Багчи из Университета Христа в Индии; профессора ДиДжея Сайлкии из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики, также в Индии; и доктора Джасинты Делхаиз из Университета Кейптауна (UCT).

В этом исследовании рассматривается ключевой вопрос современной астрофизики: как эти структуры, которые больше галактик и состоят из струй черных дыр, взаимодействуют в космологических масштабах времени со своим очень тонким газообразным окружением.

«Мы сымитировали течение струй фонтанов во Вселенной, чтобы понаблюдать, как они распространяются на протяжении сотен миллионов лет — процесс, который, конечно, невозможно отследить напрямую в реальном космосе», — объясняет доктор Гири.

«Эти сложные симуляции позволяют более четко понять вероятный жизненный цикл радиогалактик, выявляя различия между их меньшими, ранними стадиями и гигантскими, зрелыми стадиями. Понимание эволюции радиогалактик имеет жизненно важное значение для углубления наших знаний о формировании и развитии Вселенной».

«Хотя подобные исследования требуют больших вычислительных затрат», — добавляет профессор Торат, — «команда отправилась в это приключение, опираясь на захватывающие передовые наблюдения, проведенные с помощью радиотелескопов нового поколения, таких как южноафриканский телескоп MeerKAT, который сыграл важную роль в предоставлении нам подробной информации о структуре этих космических фонтанов».

Астрономы изучают галактики не только ради звезд, которые они могут видеть, говорит доктор Гири. «Мы также изучаем множество, часто взаимосвязанных, явлений. Одно из самых удивительных явлений — это когда сверхмассивная черная дыра в центре галактики, которая относительно мала по размеру по сравнению с галактиками, в которых она растет, «просыпается» и начинает поглощать большое количество близлежащего газа и пыли. Это не спокойный, медленный или пассивный процесс.

Изображение масштаба выброса космического фонтана. Автор: University of Pretoria

«По мере того, как черная дыра втягивает в себя материал, он перегревается и выбрасывается из галактики со скоростью, близкой к скорости света, создавая мощные струи, которые выглядят как космические фонтаны. Эти фонтаны испускают радиосигналы, поскольку ускоренная высокоскоростная плазменная материя генерирует радиоволны. Эти сигналы обнаруживаются очень мощными радиотелескопами, созданными в результате совместных усилий многих стран».

«С недавним появлением мощных и чувствительных радиотелескопов, таких как MeerKAT в Южной Африке, низкочастотная антенная решетка (LOFAR) в Европе и гигантский радиотелескоп метрового диапазона (GMRT) в Индии, астрономы теперь обнаруживают эти фонтаны даже на самых слабых стадиях», — добавляет доктор Гири.

«Эти передовые телескопы способны улавливать самые слабые сигналы от умирающих или затухающих частей струи, что приводит к новым открытиям более протяженных источников, которые ранее не поддавались обнаружению».

Исследование также предполагает, что эти гигантские струи могут быть более распространены, чем считалось ранее.

С момента открытия этих высокоскоростных фонтанов в 1970-х годах астрономы интересовались, как далеко выбрасывается материя, прежде чем окончательно затухнуть. Ответ был ошеломляющим, когда они начали обнаруживать, что космические струи проходят огромные расстояния — некоторые достигают почти 16 миллионов световых лет (почти в шесть раз больше расстояния между Млечным Путем и Андромедой).

«Я взял на себя задачу разработки теоретических моделей для этих источников, тщательно протестировав модели с использованием передовых возможностей современных суперкомпьютеров», — говорит доктор Гири.

«Целью этого компьютерного исследования было смоделировать поведение гигантских космических струй в фиктивной вселенной, созданной в соответствии с известными физическими законами, управляющими космосом. Нашей главной задачей было ответить на два вопроса: обусловлен ли огромный размер этих струй их исключительно высокими скоростями или же это связано с тем, что они проходят через области пространства, которые почти не содержат окружающей материи, что оказывает минимальное сопротивление свободному распространению струй?»

Исследование, проведенное под руководством UP, представляет доказательства того, что сочетание этих соображений является ключевым аспектом в формировании этих гигантских струй.

Моделирование "GRG_lp_min" (струя малой мощности, распространяющаяся вдоль малой оси среды), демонстрирующее структуру эволюционировавшего GRG в выделенном возрасте. Верхняя левая панель: изменение x − y (ρ/ρ0), сопровождаемое контурами скорости (0,1c для белого, 0,01c для черного). Автор: Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202451812

С помощью суперкомпьютерной мощности Межуниверситетского института данных астрономии (совместной сети, состоящей из Университета Паттайи, Университета Кейптауна и Университета Западной Капской провинции) международная исследовательская группа смогла проанализировать огромные объемы смоделированных данных, фактически охватывающих миллионы лет.

«Эти компьютерные модели, имитирующие эволюцию струй в искусственной Вселенной, не просто объясняют происхождение большинства гигантских радиогалактик», — говорит доктор Гири.

«Они также достаточно мощны, чтобы решать загадочные исключения, которые сбивают с толку астрономов в этой области. Например, они помогают объяснить, как некоторые космические фонтаны резко изгибаются, образуя форму буквы X в радиоволнах вместо того, чтобы следовать по прямому пути, и прояснить условия, при которых гигантские фонтаны все еще могут расти в плотных космических средах». Эти результаты могут быть дополнительно проверены радиоастрономами с помощью современных телескопов.

«Подобные исследования прокладывают путь к формулированию нашего понимания этих замечательных объектов с теоретической точки зрения», — добавляет профессор Торат. «Это обеспечивает дополнительную картину для наблюдений за дальним космосом с помощью телескопов, таких как MeerKAT и готовящегося к запуску SKA, делая моделирование ключевым инструментом наряду с методами искусственного интеллекта и высокопроизводительными вычислениями для максимального расширения пространства для открытий и оптимизации научного понимания этих и других «экзотических» объектов».

Профессор Сунил Махарадж, проректор по исследованиям, инновациям и последипломному образованию в Университете Паттайи, отметил, что университет гордится быстрым ростом своей исследовательской группы по радиоастрономии.

«Это стало возможным благодаря стратегическим инвестициям в Межуниверситетский институт данных астрономии и ключевым кадрам, сосредоточенным на науке с ведущими в мире африканскими телескопами», — говорит он.

«Это всего лишь один пример ведущей роли UP в освоении передовых технологий, которые увеличивают вклад Африки в расширение научных горизонтов и подготовку следующего поколения исследователей на континенте. Исследования, которые мы проводим сегодня, открывают новые миры и возможности для будущего».

Больше информации: Gourab Giri et al, Probing the formation of megaparsec-scale giant radio galaxies, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202451812

Источник: University of Pretoria