Астрономы из Лейденской обсерватории прогнали сотни почти одинаковых моделей Млечного Пути и получили неприятный для любителей аккуратной космологии вывод: достаточно микроскопически сдвинуть одну звезду, чтобы через некоторое время галактика начала развиваться по другому сценарию. Меняются форма спиральных рукавов, геометрия центральной перемычки и даже скорость её вращения.
Суть здесь не в красивой метафоре про «эффект бабочки», а в том, что Млечный Путь оказался куда менее усреднённой системой, чем было удобно считать. Мы привыкли думать о галактике как о громадной машине, где сотни миллиардов звёзд сглаживают локальный шум. Выясняется, что этот «шум» иногда и пишет сценарий.
В работе использовали модели дисковых галактик, погружённых в массивные гало тёмной материи. Серии симуляций отличались буквально на уровне пылинки по астрономическим меркам: в одной версии чуть меняли положение одной звезды, а затем смотрели, как система ведёт себя на больших временах.
Дальше начиналось расхождение. Одна модель выращивала рукава одной формы, другая уводила их в другую конфигурацию. Центральная перемычка, тот самый вытянутый звёздный «стержень» в центре Млечного Пути, тоже реагировала по-разному. Это важно, потому что у нашей галактики перемычка давно считается одним из главных элементов внутренней динамики, а её длину и ориентацию до сих пор уточняют по данным Gaia и инфракрасных обзоров.
Авторы заодно разобрали старую проблему астрофизических расчётов: одни симуляции показывали, что с ростом числа звёзд хаотичность усиливается, другие обещали обратное. Корень спора оказался прозаическим. Всё упирается в то, как именно считать гравитацию на малых расстояниях.
Во многих N-body моделях применяют так называемое «смягчение» гравитации. Звёзды там ведут себя не как математические точки, а как слегка размазанные облака, чтобы вычисления не уходили в нестабильность и не сжигали вычислительные ресурсы впустую. Цена удобства очевидна: тесные сближения подавляются, а вместе с ними исчезает часть реальной хаотической динамики. Проще говоря, модель становится приличнее природы.
Лейденская группа систематически меняла степень этого смягчения и показала, где расчёт ещё похож на физику, а где уже начинает рисовать слишком гладкую картину. Для вычислительной астрофизики это неприятный, но полезный вывод: иногда «хорошо ведущая себя» симуляция просто отрезает самый интересный кусок реальности.
Исследователи оценивают, что в деталях предсказуемость структуры Млечного Пути теряется примерно через миллион лет. На фоне возраста галактики, который оценивают примерно в 10-13 миллиардов лет, это почти смешной срок. Для сравнения: Солнце делает один оборот вокруг центра Млечного Пути примерно за 230 миллионов лет, так что хаос успевает накопиться задолго до завершения даже малого фрагмента этого круга.
Это не означает, что галактика завтра расползётся в бесформенное пятно. Предел у хаотичности есть: симуляции по-прежнему сохраняют общий тип системы, и Млечный Путь остаётся спиральной галактикой с баром, а не превращается во что угодно. Но детали, которые астрономы любят считать «предсказанными», оказываются куда менее надёжными. Особенно если речь идёт о форме рукавов, их контрасте и точной ориентации перемычки.
Миллион лет — оценка горизонта, после которого детальная конфигурация рукавов и бара у Млечного Пути уже не считается жёстко предсказуемой.