Цитата: Удаленный пользователь от 12.10.2019, 14:35

Milkyway@home Science

Краткое описание проекта

Цель проекта Milkyway@Home состоит в том, чтобы создать очень точную трёхмерную модель галактики Млечный путь используя данные, собранные Слоановским цифровым обзором неба.

Общее описание проекта

Проект MilkyWay@Home изучает историю нашей Галактики, анализируя звезды в галактическом гало Млечного Пути (в том числе ведется поиск «неуловимой» темной материи). Исследование проводится путем картирования орбит звезд, вращающихся вокруг Млечного Пути - многие из этих структур, на самом деле, являются "приливными потоками частиц" (оставшихся после разрушения галактик-спутников Млечного Пути), или карликовыми галактиками, захваченными гравитационным полем нашей Галактики. Орбита, форма и состав этих карликовых галактик являются важными ключами к истории Млечного Пути, а также к распределению темной материи в нем.

Кроме того, в проекте MilkyWay@Home ведется подпроект "N-body", где создается имитация движения карликовых галактик и их попадание в гравитационное поле Млечного Пути. При этом подбираются такие  начальные условия моделируемой карликовой галактики, чтобы окончательная модель соответствовала тому, что мы видим в реальной структуре гало. Другими словами, исследователи пытаеются создать модели карликовых галактик, наиболее близкие к реальным данным для того, чтобы узнать больше о том, как выглядит наша Галактика.

Для обоих проектов используются данные из Sloan Digital Sky Survey (смотри ниже).

На картинке представлена визуализация Шейн Рейли, показывающая Млечный Путь (центр сине-красная спираль в центре), модель разрушенной карликовой галактики Стрельца (синий), и пример обзора из Sloan Digital Sky Survey (желтый).

До конца 1990-х годов, галактическое гало считалось однородным и неинтересным местом, однако в статье Хайди Ньюберг в 2002 ("The Ghost of Sagittarius and Lumps in the Halo of the Milky Way")  было показано, что гало на самом деле повсеместно заполнено "приливным потоком частиц" (имеет неровную, бугристую поверхность). С тех пор астрономы активно исследуют и описывают эту структуру. MilkyWay@Home работает в области, которой не более десяти лет - это передний край астрономии, и мы хотим, чтобы вы были частью этого!

Введение: Форма Млечного Пути

Что такое Млечный Путь?

Млечный Путь - наш дом, один из миллиарда известных галактик во Вселенной. В дополнение к нашему Солнцу, Млечный Путь содержит около 400 миллиардов других звезд - это около 57 звезд на каждого человека на Земле! Несмотря на эти цифры, Млечный Путь, на самом деле, считается галактикой среднего размера. (Для получения дополнительной информации о галактиках, смотрите в Википедии.)

В настоящее время Млечный Путь считается спиральной галактикой с перемычкой (тип Хаббл SBbc), размером в 100.000 световых лет - то есть, путешествие со скоростью света с одного конца Млечного Путь к другому занимает 100.000 лет. Для сравнения, свету требуется 8 минут, чтобы добраться от Солнца до Земли. В то время как световой год является единицей измерения в физике, астрономы склонны использовать "парсек" при измерении расстояний. Парсек (сокращенно "параллакс-секунда") составляет 3,26 световых года, и связан с одним из самых точных методов определения расстояний до других звезд («параллаксом"). В галактической астрономии, мы работаем с поистине астрономическими расстояниями, для этого мы используем "килопарсек" (кпк) (тысячу парсеков). Радиус Млечного Пути равен 15 кпк, а наше Солнце расположено в 8 кпк от центра галактики.

Схема Галактики Млечный Путь. Согласно современным представлениям Млечный Путь содержит четыре основных компонента: диск, балдж, звездное гало и гало темной материи:

Диск является наиболее заметным компонентом галактики, и, как считается, состоит из двух частей: тонкого диска и толстого диска. Тонкий диск имеет толщину около 0,3 кпк и состоит почти весь из пыли, газа и молодых звезд (в том числе Солнца) нашей Галактики.

Толстый диск, толщиной около 1 кпк, и отграничивает зону, где количество звезд резко падает.

Балдж лежит в центре диска, имеет радиус всего несколько кпк, содержит как старые, так и молодые звезды. В последнее время было установлено, что балдж содержит возвышающуюся середину. Кроме того, в центре галактики находится супермассивная черная дыра - с массой, равной 4 миллиона Солнц!

Звездное гало является почти сферическим сфероидом звезд, который окружает всю галактику. Плотность звезд в гало очень мала по сравнению с плотностью диска, и большинство звезд гало находятся в пределах 30 кпк от центра Галактики. Звездное гало является объектом исследования Milkyway@Home.

Гало темной материи является самой загадочной частью галактики. Информация, полученная от кривых вращения галактики, столкновения галактик и моделирования темной материи - все убедительно свидетельствует о том, что существует большое количество невидимой массы, окружающей каждую галактику. Современные астрономы надеются получить подсказки о форме и составе гало темной материи, изучая структуры в диске и звездногом гало.

"Темная" материя

Темная материя - термин, который введен для того, чтобы объяснить «невидимую» массу, регистрируемую при физических наблюдениях. Хотя были предложены и другие решения проблемы «лишней» массы, такие как модификации теорий Ньютона и/или Эйнштейна, темная материя является единственным термином, одновременно описывающим все наблюдаемые аномалии. Таким образом, понимание природы темной материи является одной из основных целей исследований космоса.

 

Чтобы объяснить термин «темная» материя, для начала, расшифруем словосочетание "Светлая" (обычная) материя. Последняя состоит из барионов, которые, в свою очередь, состоят из кварков. Наиболее важным следствием выше сказанного является то, что эти частицы взаимодействуют электромагнитно: свет (который представляет собой электромагнитную волну) может взаимодействовать с барионами. Совокупность световых волн составляет электромагнитный спектр (рисунок 3). В зависимости от того, как барионы устроены, они будут поглощать, отражать или излучать волны определенной длины. На самом деле, все барионная материя будет излучать волны света, в зависимости от своей температуры - звезды, например, очень горячие, и поэтому они могут излучать видимый свет. Чем выше температура объекта, тем короче длина волн, которая испускается веществом. Поэтому все барионная материя "светится" на определенных длинах волн (в том числе и люди! Мы светимся в инфракрасном диапазоне).

 

Темная материя – другой природы. Она не излучает свет, не поглощает и не отражает его. Темная материя вообще не взаимодействует электромагнитно. Вот почему она "темная:" световые волны не дают никакой информации о ней.

 

Поскольку темная материя не взаимодействует со светом, единственным способом, которым мы можем изучить ее является гравитация. Проанализировав распределение барионной материи (звезд и газа) в Млечном Пути, мы получим представление о расположении и составе темной материи. Milkyway@Home занимается этим, путем изучения звезд в гало, используя данные из Sloan Digital Sky Survey.

 

Часть I: Sloan Digital Sky Survery (SDSS)

 

Часть II: Как мы ищем темную материю?

 

Итак, что Галактическое гало может рассказать нам о темной материи и структуре Млечного Пути? Астрономы пытаются понять Галактический потенциал Млечного Пути - как его гравитация влияет на другие объекты, и, кроме того, оценить распределение массы (материи) в Галактике. Если мы можем сравнить Галактический потенциал и потенциал известной нам (барионной) материи, нам удастся определить потенциал темной материи – который отражает распределение темной материи в Млечном Пути.

 

Астрономы используют гравитацию, чтобы определить потенциал Галактики. Например, давайте посмотрим на то, как кто-то исследовал потенциал нашего солнца. Солнце массивный и сферический объект, и поэтому его потенциал будет - "сферически симметричным" на физическом жаргоне. Сила “этого сферически-симметричного” потенциала зависит только от массы Солнца, и расстояния, на котором вы находитесь от него.

 

Сферически симметричный гравитационный потенциал Солнца связан с законом Кеплера. Если сравнить скорость (в т.ч. орбитальную) планет, вращающихся вокруг Солнца, и их радиус (или расстояние) от Солнца, можно построить кривую вращения Солнечной системы. Для системы, подчиняющейся закону Кеплера (Солнечной системы, например) наблюдается явное "падение" (снижение с расстоянием) кривой вращения:

 

Галактика немного сложнее устроена. Так как масса в ней сосредоточена не только в центре, кривая вращения должна выглядеть не как в Солнечной системе. Когда астрономы подсчитали все источники света в нашей и других галактиках, то оказалось, что большая часть света исходит от центра, постепенно уменьшаясь к периферии. Построив эту "кривую блеска", мы можем вычислить распределение обычной материи, а далее построить "кривую вращения" для нашей галактики. Такая кривая должна уходить вниз по вертикали с увеличением расстояния - но когда астрономы измеряют кривую вращения Млечного Пути (и других галактик), то она почти плоская, и почти не уменьшается!

 

Проблема вращения впервые была впервые упомянута в 1930-е годы астрономом по имени Фриц Цвикки. Цвикки измерил скорости галактик, вращающихся вокруг галактических скоплений, и пришел к выводу, что существует "недостающая масса", которую нельзя увидеть в кластере. В 1970-х годах, астроном Вера Рубин измерила кривые вращения других галактик, и окончательно показала, что каждая галактика содержит больше массы, чем можно увидеть текущими инструментами и методами.

 

Итак, как же мы находим эту темную материю? Мы рассматриваем силу тяжести. Используя гравитационное линзирование, или тот факт, что области с высокой плотностью материи могут изменить путь движения света, астрономы могут построить карту темной материи в очень плотных скоплениях галактик, таких как кластер Abell:

 

Но эти кластеры очень далеко от нас, и мы не можем видеть детали. Таким образом, мы действительно хотим выяснить, где темная материя находится в нашей Галактике, а затем узнать, откуда она. Звезды в галактическом гало движутся по орбите вне диска Млечного Пути, поэтому их орбиты расскажут нам, как выглядит гравитационный потенциал Млечного Пути, и, следовательно, где находится «масса». Но эти звезды так далеко от нас, что они, кажется, не двигаются вообще - если вы не знаете, как что-то движется, действительно трудно понять, как проходит орбита этого объекта.

 

Приливные потоки частиц должны решить эту сложную задачу! Эти потоки, образованные из карликовых галактик, находящихся под действием силы тяжести Млечного Пути, имеют свою непрерывную орбиту вокруг Галактики. Таким образом, если мы не можем увидеть движение отдельных звезд, мы можем исследовать линии приливных потоков, определять их направление движения. Эти знания могут помочь определить орбиты звезд, а затем мы сможем определить распределение темной материи!

 

Основной трюк - выяснить, где находятся эти потоки. Хотя это может показаться простым, на самом деле потоки смешиваются со звездами гало и даже с другими потоками! Кроме того, имеются ошибки в данных, особенно, о пространстве вдали от гало, которые тоже они должны быть учтены. Все это означает, что мы должны использовать детальный математический анализ движения звезд, который, в свою очередь, приводит к очень сложной вычислительной задачи ...

 

Часть III: Milkyway@home

 

Разделение

 

С этого момента начинается Milkyway@home. Целью "Separation" или "Stream Fit" (подпроекта Milkyway@home) является анализ: выяснить, где именно среди большого количества звезд галактического гало находятся большие приливные потоки. Для этого нам пришлось создать математическую модель полос данных SDSS (see Nathan Cole's PhD Thesis [pdf]) и метод поиска наилучшего соответствия этой модели фактическим данным SDSS. Каждое WU (задание) подпроекта "Separation" является оценкой одной модели - одного набора параметров для модели, которые проверяются на реальных данных. Затем каждое WU (задание) определяет сходство модели с реальными данными и передает результат на наш сервер. Наш сервер использует эту информацию (см ниже), чтобы определить следующий набор параметров, чтобы попытаться, и создает новый WU (задание) до тех пор, пока мы не получим модель наиболее близкую к реальным данным (Этот тип проблемы называется проблемой максимального правдоподобия).

Другими словами, подпроект "Separation"ищет лучшие описание потоков в гало Галактики. Построив наиболее точную модель, мы даем очень точное описание приливных потоков в исследуемом участке обзора SDSS.

 

Текущий прогресс: Нам удалось закончить описание North Galactic cap (области, находящейся "выше" галактического диска) - части приливного течения карликовой галактики Стрельца, - и результаты будут опубликованы в Astrophysical Journal в ближайшее время (март-апрель 2013). Некоторые цифры из этого документа:

 

Поток Стрелеца отделен от фоновых данных (см эту тему (https://milkyway.cs.rpi.edu/milkyway//forum_thread.php?id=2923) для получения дополнительной информации):

 

Путь потока Стрельца по Галактике, представленное стрелкой для каждой анализируемой полосы обзора SDSS. Смотрите эту ветку форума (https://milkyway.cs.rpi.edu/milkyway//forum_thread.php?id=2960) для получения дополнительной информации:

 

Текущая работа: Milkyway@home в настоящее время изучает потоки North Galactic cap, которые не относятся к потоку Стрелеца - мы, повторно анализируя те же данные, но поток Стрелеца удален. Это необходимо так как, с потоком Стрельца, другие потоки были бы слишком слабы, чтобы точно их описать. В дополнение, мы готовимся начать работу над 8 разделом данным обзора SDSS, которая дополняет некоторые районы в южной части Галактики. Наконец, как только все это будет сделано, мы будем анализировать звездный сфероид - звезды в галактическом гало, которые не принадлежат к приливным потокам. Понимание звездного сфероида является актуальным вопросом астрономии, поэтому тщательный анализ еще больше подогреет интерес к нему! Если все пойдет хорошо, подпроекта "Separation" должен быть завершен в конце 2013 или в середине 2014 года.

 

N-тело

 

Проект N-тела Milkyway@Home имитирует движение карликовых галактик, сталкивающихся с (или разрушаемых) Млечным Путём. Это события часто приводят к формированию приливных потоков, таких как поток Стрельца. Цель проекта N-тела: создание модели карликовых галактик и сравнение результатов с реальным данными о них, а также уточнение свойств гравитационного потенциала Млечного пути (а также свойств карликовых галактик). На рисунке 10 показан пример карликовой галактики разрушающейся под действием силы тяжести Млечного Пути (Млечный Путь не показан, и находится в центре изображения):

 

В стадии разработки: Проект N-тел находится в стадии разработки, и почти стабилен.

 

Скоро мы будем пропускать тестовые данные через него, чтобы убедиться в его правильной работе, затем мы начнем моделирования и сравнение с реальными данными! В конце концов, мы надеемся сделать N-тело основным проектом Milkyway@Home, а также добавить поддержку GPU.

 

Предыдущая работа и публикации можно найти здесь. (https://milkyway.cs.rpi.edu/milkyway//information.php)

Скачать: https://boinc.berkeley.edu/wiki/Simple_view

https://boinc.berkeley.edu/download_all.php