Pierwsze wyniki projektu IllustrisTNG zostały opublikowane w trzech oddzielnych badaniach i rzucają nowe światło na to, jak czarne dziury kształtują kosmos oraz jak galaktyki tworzą się i rosną. Projekt IllustrisTNG określa się jako „Następna generacja kosmologicznych symulacji hydrodynamicznych”. Projekt jest ciągłą serią masowych symulacji hydrodynamicznych naszego Wszechświata. Jego celem jest zrozumienie procesów fizycznych, które napędzają powstawanie galaktyk.
Sercem IllustriousTNG jest najnowocześniejszy model numeryczny Wszechświata, działający na jednym z najpotężniejszych superkomputerów na świecie: maszynie Hazel Hen w High-Performance Computing Center w Stuttgarcie w Niemczech. Hazel Hen jest najszybszym komputerem w Niemczech i 19. najszybszym na świecie.
Nasz obecny model kosmologiczny sugeruje, że gęstość masy i energii Wszechświata jest zdominowana przez ciemną materię i ciemną energię. Ponieważ nie możemy zaobserwować żadnej z tych rzeczy, jedynym sposobem przetestowania tego modelu jest możliwość precyzyjnego przewidywania struktury rzeczy, które widzimy, takich jak gwiazdy, rozproszony gaz i akrecja czarnych dziur. Te widoczne rzeczy są zorganizowane w kosmiczną sieć arkuszy, włókien i pustek. Wewnątrz są galaktyki, które są podstawowymi jednostkami struktury kosmicznej. Aby przetestować nasze pomysły na temat struktury galaktycznej, musimy stworzyć szczegółowe i realistyczne symulowane galaktyki, a następnie porównać je z rzeczywistością.
Astrofizycy w USA i Niemczech wykorzystali IllustrisTNG do stworzenia własnego wszechświata, który można następnie szczegółowo zbadać. IllustrisTNG bardzo silnie koreluje z obserwacjami prawdziwego Wszechświata, ale pozwala naukowcom spojrzeć na rzeczy, które są zaciemnione w naszym Wszechświecie. Doprowadziło to do bardzo interesujących wyników i pomaga odpowiedzieć na kilka ważnych pytań z kosmologii i astrofizyki.
Odkąd dowiedzieliśmy się, że galaktyki mają w swoich ośrodkach supermasywne czarne dziury (SMBH), powszechnie uważa się, że mają one głęboki wpływ na ewolucję galaktyk i być może na ich powstawanie. Doprowadziło to do oczywistego pytania: w jaki sposób te SMBH wpływają na galaktyki, które je hostują? Znakomity TNG postanowił odpowiedzieć na to pytanie, a artykuł dr Dylana Nelsona z Instytutu Astrofizyki Maxa Plancka pokazuje, że „głównym motorem przejścia kolorów galaktyki jest supermasywne sprzężenie zwrotne czarnej dziury w stanie niskiej akrecji”.
„Jedyną fizyczną istotą zdolną do gaszenia powstawania gwiazd w naszych dużych galaktykach eliptycznych są supermasywne czarne dziury w ich centrach.” - Dr Dylan Nelson, Max Planck Institute for Astrophysics,
Galaktyki, które wciąż znajdują się w fazie formowania gwiazd, świecą jasno w niebieskim świetle młodych gwiazd. Potem coś się zmienia i formowanie gwiazd się kończy. Następnie galaktyka jest zdominowana przez starsze, czerwone gwiazdy, a galaktyka dołącza do cmentarza pełnego „czerwonych i martwych” galaktyk. Jak wyjaśnia Nelson: „Jedyną fizyczną istotą zdolną do gaszenia powstawania gwiazd w naszych dużych galaktykach eliptycznych są supermasywne czarne dziury w ich centrach”. Ale jak oni to robią?
Nelson i jego koledzy przypisują to supermasywnemu sprzężeniu zwrotnemu z czarną dziurą w stanie niskiej akrecji. Oznacza to, że gdy czarna dziura się zasila, tworzy wiatr lub falę uderzeniową, która wydmuchuje z galaktyki gaz i pył formujący gwiazdy. Ogranicza to przyszłe powstawanie gwiazd. Istniejące gwiazdy starzeją się i zmieniają kolor na czerwony, a powstaje niewiele nowych niebieskich gwiazd.
Od dawna uważano, że duże galaktyki powstają, gdy łączą się mniejsze galaktyki. Gdy galaktyka powiększa się, jej grawitacja przyciąga do niej coraz mniejsze galaktyki. Podczas tych zderzeń galaktyki są rozrywane. Niektóre gwiazdy zostaną rozproszone i zamieszkają w aureoli wokół nowej, większej galaktyki. Powinno to nadać nowopowstałej galaktyce słabe tło blasku gwiezdnego światła. Ale to jest prognoza, a te blade poświaty są bardzo trudne do zaobserwowania.
„Nasze prognozy mogą teraz być systematycznie sprawdzane przez obserwatorów”. - Dr Annalisa Pillepich (Instytut Maxa Plancka dla astrofizyki)
IllustrisTNG był w stanie dokładniej przewidzieć, jak ten blask powinien wyglądać. To daje astronomom lepsze pojęcie, na co zwrócić uwagę, gdy próbują obserwować tę bladą gwiazdową poświatę w prawdziwym Wszechświecie. „Nasze przewidywania mogą teraz być systematycznie sprawdzane przez obserwatorów”, zauważa dr Annalisa Pillepich (MPIA), która prowadziła dalsze badanie IllustrisTNG. „Daje to krytyczny test teoretycznego modelu hierarchicznego tworzenia galaktyk”.
IllustrisTNG to ciągła seria symulacji. Do tej pory odbyły się trzy przebiegi IllustrisTNG, z których każdy tworzy większą symulację niż poprzednia. Są to TNG 50, TNG 100 i TNG 300. TNG300 jest znacznie większy niż TNG50 i pozwala na badanie większego obszaru, co ujawnia wskazówki dotyczące struktury na dużą skalę. Chociaż TNG50 jest znacznie mniejszy, ma o wiele bardziej precyzyjne szczegóły. Daje nam to bardziej szczegółowe spojrzenie na właściwości strukturalne galaktyk i szczegółową strukturę gazu wokół galaktyk. TNG100 jest gdzieś pośrodku.
IllustrisTNG nie jest pierwszą kosmologiczną symulacją hydrodynamiczną. Inne to Eagle, Horizon-AGN i poprzednik IllustrisTNG, Illustris. Pokazali, jak potężne mogą być te predykcyjne modele teoretyczne. W miarę jak nasze komputery stają się coraz potężniejsze, a wraz z nimi rośnie nasze rozumienie fizyki i kosmologii, tego rodzaju symulacje przyniosą lepsze i bardziej szczegółowe wyniki.
