Газовые дожди в окологалактической среде

Москва, 15:40, 24 Июл 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Легко представить галактики островами во Вселенной, плавающими в изоляции. Однако галактика фактически окружена огромным морем газа низкой плотности, который простирается до своего вириального радиуса и дальше. Этот газ известен как окологалактическая среда (ОГС), и все больше и больше исследований показывают, что ОГС играет решающую роль в эволюции галактики. Наблюдение за ОГС оказалось трудным из-за ее чрезвычайно низкой плотности, поэтому симуляции сыграли большую роль в понимании физики этого региона. Авторы подробно описывают эффекты запуска ОГС-моделирования со значительно увеличенным разрешением, способного наблюдать холодный газ, который осаждается в ОГС и выпадает в галактику.

 

Что мы знаем об ОГС?

 

Находясь за пределами галактики, ОГС является домом для крупномасштабных потоков газа, которые управляют эволюцией галактики. Эти газовые потоки служат топливом для формирования звезд, регулируют взаимодействие между гало темной материи и межгалактической средой и содержат энергию, массу и металлы больших потоков из галактики. На самом деле, согласно прогнозам, в ОГС содержится как минимум столько же барионов и тяжелых элементов, сколько в самих галактиках, и большинство металлов во вселенной находится в ОГС. Эти металлы, осаждаемые галактическими потоками, служат доминирующим теплоносителем для ОГС. Они способны излучать энергию легче, чем такие элементы, как водород, поэтому повышенное содержание металлов может привести к образованию более холодного газа. Следовательно, этот приток металлов помогает создать две фазы газа: «холодный» (10 000 Кельвина) газ, состоящий из нейтрального водорода и других элементов в низкоэнергетических состояниях ионизации, и «горячий» (300 000 — 1 000 000 Кельвина) газ, который содержит кислород , азот и неон в высокоэнергетических состояниях ионизации.

К сожалению, вычислительная работа хронически недооценила наблюдаемые содержания этих ионов через красные смещения на порядки величины. Недавняя работа показала, что обратная связь может увеличить содержание кислорода и других ионов в горячем газе, но расхождение остается для водорода и других ионов в холодном газе. В сегодняшней статье авторы обсуждают влияние увеличения разрешения моделирования на эти расхождения.

 

Решение проблемы разрешения

Возможно, одна из причин того, что симуляции пытаются воспроизвести наблюдения ОГС, заключается в пределах их разрешающей способности. Подобно тому, как использование большего количества пикселей на экране телевизора или компьютера дает лучшее изображение, увеличение разрешения при моделировании означает использование большего количества ячеек или частиц для получения лучшей физической картины происходящего. Однако каждое увеличение разрешения увеличивает вычислительные затраты на моделирование. Это означает, что ваша симуляция, для которой потребовалось несколько дней, может занять несколько месяцев.

Следовательно, большинство моделей галактик применяют самое высокое разрешение к областям высокой плотности, где находится большая часть вещества. Это отлично подходит для выяснения того, что происходит в плотном диске галактики, но не идеально для изучения ОГС низкой плотности. Сегодняшняя статья запускает симуляции, которые навязывают ОГС высокое разрешение, достигая разрешений, сопоставимых с теми, которые обычно получаются на диске галактики. Этот метод получил соответствующее название Enhanced Halo Resolution (EHR).

 

 


Рисунок 1: Графики разрешения для традиционного (AMR — адаптивное уточнение сетки) и EHR моделирования.

 

Каждая из этих сеток состоит из множества ячеек, а пространственное разрешение относится к физической длине (в килопарсеках) самой маленькой ячейки, присутствующей в регионе. На левой панели присутствует много галактик, и в центре находится особенно массивная галактика. Его вириальный радиус показан пунктирной белой линией. Разрешение в ОГС примерно в 16 раз хуже, чем в диске галактики. Справа симуляция EHR обеспечивает высокое разрешение приблизительно до вириального радиуса, гарантируя, что взаимодействиям в ОГС уделяется гораздо больше внимания в вычислительном отношении.

 

Что дает эта вычислительная сложность?

Авторы отмечают, что благодаря лучшему разрешению газа в ОГС возникает ряд физических эффектов. Во-первых, баланс холодного и горячего газа смещается, в результате чего остается больше холодного газа и меньше горячего газа, чем при моделировании с более низким разрешением. Облака холодного газа, которые образуются, также больше по количеству и меньше по размеру. Наконец, количество нейтрального водорода и других низкоэнергетических ионов, обнаруженных в холодном газе, увеличивается, в то время как содержание кислорода, азота и неона в высокоэнергетических состояниях ионизации падает из-за уменьшения количества горячего газа. В сочетании с вышеупомянутой работой по обратной связи AGN это может приблизить моделирование к наблюдаемым содержаниям этих ионов.

 


Рисунок 2: Галактика и CGM в моделировании AMR и EHR. Значительное увеличение HI (нейтрального водорода) можно увидеть при моделировании ОГС. Напомним, что нейтральный водород отслеживает холодный газ, который конденсируется во множество сгустков справа, которые не были разрешены в традиционной симуляции AMR. Многие из этих скоплений падают обратно в галактику, потому что у них больше нет достаточно тепловой энергии, чтобы противостоять гравитационному притяжению галактики.

 

Другими словами, EHR заставляет больше газа в ОГС охлаждаться, конденсироваться в облака и потенциально падать обратно в галактику. Это полностью аналогично водяному пару в нашей собственной атмосфере, которая часто охлаждается, образует облака и выпадает обратно на Землю. Таким образом, ОГС может быть концептуализирована как атмосфера галактики. На рисунке 2 показан холодный газ, конденсирующийся в этих облаках, некоторые из которых падают в галактику.

Почему увеличение разрешения приводит к более холодному газу? Ответ заключается в том, как газ смешивается в симуляциях. При более низком разрешении облака холодного газа обычно разделяются только несколькими ячейками, вызывая искусственное смешивание горячего и холодного газа. Авторы выполняют тестовое моделирование, демонстрирующее это, показанное на рисунке 3.

 


Рисунок 3: В этой тестовой задаче облако холодного газа шириной 4 килопарсек находится в потоке горячего газа в течение 260 миллионов лет. В тесте низкого разрешения граница облака определяется только несколькими ячейками. Эта искусственно толстая граница означает, что большая часть холодного газа быстро смешивается с горячим газом и устраняет HI (нейтральный водород). В случае высокого разрешения граница становится намного тоньше, что позволяет внутреннему холодному газу выживать гораздо дольше.

 

Разрешение явно имеет большое значение в понимании физики ОГС и галактик. Например, точно так же, как растения на Земле прорастают после дождя, холодный газ, который конденсируется в ОГС и падает в галактику, может вызвать образование звезд. Понимание экологии и геологии Земли требует детальной картины атмосферы, и, возможно, раскрытие тайн эволюции галактики может зависеть так же сильно от нашего понимания окологалактической среды.