Formowanie się galaktyk jest złożonym tańcem między materią a energią, zachodzącym na etapie kosmicznych proporcji i trwającym miliardy lat. To, jak różnorodność strukturalnych i dynamicznych galaktyk, które obserwujemy dzisiaj, powstało w wyniku ognistego chaosu Wielkiego Wybuchu, pozostaje jedną z najtrudniejszych nierozwiązanych zagadek kosmologii.
W poszukiwaniu odpowiedzi międzynarodowy zespół naukowców stworzył jak dotąd najbardziej szczegółowy model wszechświata na dużą skalę, symulację, którą nazywają TNG50. Ich wirtualny wszechświat, o szerokości około 230 milionów lat świetlnych, zawiera dziesiątki tysięcy rozwijających się galaktyk o poziomach szczegółowości widocznych wcześniej tylko w modelach z jedną galaktyką. W symulacji prześledzono ponad 20 miliardów cząstek reprezentujących ciemną materię, gazy, gwiazdy i supermasywne czarne dziury w okresie 13,8 miliarda lat.
Bezprecedensowa rozdzielczość i skala pozwoliły badaczom na zebranie kluczowego wglądu w przeszłość naszego wszechświata, ujawniając, w jaki sposób powstały różne dziwnie ukształtowane galaktyki oraz jak gwiezdne eksplozje i czarne dziury wywołały tę galaktyczną ewolucję. Ich wyniki zostały opublikowane w dwóch artykułach, które zostaną opublikowane w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society z grudnia 2019 r.
TNG50 to najnowsza symulacja stworzona przez projekt IllustrisTNG, którego celem jest zbudowanie pełnego obrazu ewolucji naszego wszechświata od czasów Wielkiego Wybuchu poprzez stworzenie wszechświata na dużą skalę bez poświęcania drobnych szczegółów poszczególnych galaktyk.
„Te symulacje są ogromnymi zbiorami danych, w których możemy nauczyć się tony, analizując i rozumiejąc powstawanie i ewolucję galaktyk w ich obrębie” - powiedział Paul Torrey, profesor fizyki na Uniwersytecie Florydy i współautor badania. „Zasadniczo nowością w TNG50 jest to, że osiągasz wystarczająco wysoką rozdzielczość masy i przestrzenną w galaktykach, co daje jasny obraz tego, jak wygląda wewnętrzna struktura układów podczas ich tworzenia i ewolucji”.
Dbałość modelu o szczegóły wiąże się z pewnym kosztem. Symulacja wymagała 16 000 rdzeni procesora superkomputera Hazel Hen w Stuttgarcie w Niemczech, pracujących nieprzerwanie przez ponad rok. To samo obliczenie zajęłoby systemowi z jednym procesorem 15 000 lat. Pomimo tego, że są jedną z najbardziej obciążających obliczeniowo symulacji astrofizycznych w historii, naukowcy uważają, że ich inwestycja się opłaciła.
„Tego rodzaju eksperymenty numeryczne są szczególnie udane, gdy wydostajesz się więcej niż wkładasz” - powiedział w oświadczeniu Dylan Nelson, doktor habilitowany w Instytucie Astrofizyki Maxa Plancka w Monachium, Niemcy, i współautor badania . „W naszej symulacji widzimy zjawiska, które nie zostały wyraźnie zaprogramowane w kodzie symulacyjnym. Zjawiska te powstają w naturalny sposób, ze złożonej zależności podstawowych składników fizycznych naszego modelu wszechświata”.
To wschodzące zjawisko może być niezbędne do zrozumienia, dlaczego nasz wszechświat pojawia się dzisiaj, 13,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. TNG50 pozwoliło badaczom zobaczyć z pierwszej ręki, jak galaktyki mogły wynurzyć się z burzliwych chmur gazu obecnych wkrótce po narodzinach wszechświata. Odkryli, że galaktyki w kształcie dysku wspólne dla naszego kosmicznego sąsiedztwa naturalnie pojawiły się w ich symulacji i wytworzyły struktury wewnętrzne, w tym spiralne ramiona, wybrzuszenia i pręty wystające z ich centralnych supermasywnych czarnych dziur. Kiedy porównali generowany komputerowo wszechświat z obserwacjami z życia, stwierdzili, że ich populacja galaktyk jest jakościowo zgodna z rzeczywistością.
Gdy ich galaktyki nadal spłaszczały się w dobrze uporządkowane obracające się dyski, zaczęło się pojawiać kolejne zjawisko. Wybuchy supernowej i supermasywne czarne dziury w sercu każdej galaktyki spowodowały szybki wypływ gazu. Wypływy te zamieniły się w fontanny gazu wznoszące się tysiące lat świetlnych nad galaktyką. Holownik grawitacyjny ostatecznie sprowadził znaczną część tego gazu z powrotem na dysk galaktyki, redystrybuując go do jego zewnętrznej krawędzi i tworząc pętlę zwrotną wypływu i dopływu gazu. Oprócz recyklingu składników do tworzenia nowych gwiazd, wypływy również zmieniły strukturę ich galaktyki. Zawrócone gazy przyspieszyły transformację galaktyk w cienkie wirujące dyski.
Pomimo tych wstępnych ustaleń zespół jest daleki od ukończenia analizy swojego modelu. Planują również publicznie opublikować wszystkie dane symulacji, aby astronomowie z całego świata mogli zbadać ich wirtualny kosmos.
„Przed nami już ogromna droga do ukończenia tych symulacji” - powiedział Torrey. „Cały zespół naukowców pracuje nad lepszym zrozumieniem szczegółowych właściwości tworzących się galaktyk i pojawiających się trendów w tych danych”.
