Сто лет моделирования

За 13 с лишним миллиардов лет Вселенная прошла эволюцию от состояния сингулярности, то есть состояния с бесконечной плотностью и температурой вещества, до крупномасштабной, похожей на паутину структуры, образованной галактиками. Для теоретического описания этой структуры космологам пришлось использовать холодную темную материю. Это часть скрытой массы, которую составляют массивные частицы, обладающие скоростью гораздо меньшей скорости света. Напомним, что темная материя является одной из самых больших загадок современной науки: есть только косвенные свидетельства ее существования. По современным представлениям, темная материя составляет порядка 75 процентов всего вещества во Вселенной, но

оно не поддается обнаружению, так как не излучает свет и не взаимодействует с электронами и протонами.

В своих работах по эволюции галактик во Вселенной, выполненных в середине 80-х годов прошлого века, теоретикам не удалось обойтись без неясных моментов. Например, их расчеты требовали, чтобы в ядрах галактик было большее количество звезд и темной материи, чем наблюдалось. Особенно это касалось карликовых галактик, наблюдаемые свойства которых плохо описывались теоретическими моделями.

Разрешить это противоречие удалось международной группе ученых во главе с Фабио Говернато из Вашингтонского университета: с использованием кластера мощнейших компьютеров за 1 миллион часов вычислительного времени (а это более ста лет!) им удалось смоделировать эволюцию карликовых галактик.

Расчеты на момент, соответствующий современному возрасту Вселенной, продемонстрировали структуры, близкие к наблюдаемым в реальности.

Нынешний успех американских астрономов обусловлен новым подходом к процессу моделирования образования и эволюции карликовых галактик. «В предыдущих работах было только описание того, где и как звезды формируются в галактиках, а процесс звездообразования был полностью проигнорирован. Мы же постарались максимально точно учесть в модели то, как звезды формируются в галактиках», – говорит Говернато.

Многочасовые расчеты показали, что наиболее массивные новые звезды взрывались как сверхновые.

Эти взрывы вызывали огромной силы звездный ветер, который уносил с собой колоссальные объемы газа от центра галактики, предотвращая таким образом появление большого количества новых звезд.

Вследствие такого сильного оттока массы от центра темная материя из центральных областей галактики покидала ее и отправлялась в «свободное плавание». Говернато для наглядности сравнивает этот процесс с Солнечной системой: если бы вдруг Солнце, вокруг которого вращаются все планеты, исчезло, то Земля по инерции продолжила бы движение и отправилась бы в свободный полет по Галактике.

Именно взрывы сверхновых и возникающий впоследствии звездный ветер оказались недостающими элементами, позволившими ответить на вопрос, почему ранее моделирование не позволяло правильно описывать карликовые галактики.

Откуда уши растут

Panderichthys – небольшая рыба эпохи начала позднего Девона. Длина – 90–130 см. Останки Panderichthys впервые обнаружены в Латвии. Известны два вида – Panderichthys stolbovi и Panderichthys rhombolepis. Животное представляет переходную форму между рыбами и ранними тетраподами, у него отсутствует спинной и анальный плавник, голова и хвост тоже больше напоминают четвероногих того времени, чем рыб. Плечевые плавники представляют собой сросшиеся костные пластины, напоминающее строение плавников кистеперых рыб.

Ученые из университета города Упсала (Швеция) выяснили, как у животных появились уши. Посвященная открытию статья опубликована в Nature за 19 января.

Мартин Бразо и Пер Эглберг изучали череп Panderichthys – древней рыбы, которая жила примерно 370 миллионов лет назад (примерно в одно время с тетраподами – ранними четвероногими обитателями Земли, с которыми она произошла от одного предка).

Ученые давно пришли к выводу, что элементы среднего уха, которое человек использует, чтобы усилить и передать звук, рыбы использовали для дыхания. А слуховая система возникла впервые у насекомых. Теперь шведы опровергли это утверждение. Они сравнили кости черепа Panderichthys с аналогичными окаменелостями тераподов и более древних рыб. К удивлению ученых, дыхальце и костная перегородка у Panderichthys оказались совсем не такими, как у других изученных ископаемых рыб.

Костная перегородка стала меньше и изящней, стала напоминать стремечко, произошедшее от нее. А дыхало стало, наоборот, больше.

«Наша работа опровергает устоявшееся мнение, что строение Panderichthys в области среднего уха было аналогичным более примитивным рыбам, – говорит Мартин Бразо. – Теперь мы знаем, что появление этого органа слуха произошло еще за 10 миллионов лет до появления на земле тераподов».

Данная работа «заполняет эволюционный промежуток, существовавший между рыбами и земноводными», говорит палеонтолог Том Рич из Музея Виктории в Мельбурне (Австралия). А палеонтолог позвоночных из Музея Карнеги в Питтсбурге Же-Хи Ло (Пенсильвания, США) добавил: «Теперь мы намного более ясно понимаем, где и когда эти особенности начали появляться. Это произошло ранее, чем мы думали».

Слуховая система имеется у всех позвоночных и наиболее развита у млекопитающих, которые воспринимают звуки в результате последовательной обработки информации о сигнале в слуховой системе. Звуковые колебания, проходя через наружный слуховой проход (наружное ухо), вызывают колебания барабанной перепонки, передающиеся через среднее ухо – систему сочлененных между собой косточек (стремечко, молоточек и наковальня) – на жидкостные среды (перилимфу и эндолимфу) внутреннего уха. Возникшие гидромеханические колебания приводят к колебаниям улитковой перегородки (Кортиев орган). На уровне Кортиева органа механическая энергия преобразуется в возбуждение рецепторов, которое, в свою очередь, приводит к активизации волокон слухового нерва.