Od połowy XX wieku naukowcy mają całkiem niezłe pojęcie o tym, jak powstał wszechświat. Kosmiczna ekspansja i odkrycie Kosmicznego Mikrofalowego Tła (CMB) nadało wiarygodność Teorii Wielkiego Wybuchu, a przyspieszenie tempa ekspansji doprowadziło do teorii o Ciemnej Energii. Mimo to, wiele nauk o wczesnym Wszechświecie wciąż nie wie, co wymaga, aby polegali na symulacjach kosmicznej ewolucji.
To tradycyjnie stanowiło pewien problem, ponieważ ograniczenia obliczeń oznaczały, że symulacja może być na dużą skalę lub szczegółowa, ale nie jednocześnie. Jednak zespół naukowców z Niemiec i Stanów Zjednoczonych niedawno ukończył najbardziej szczegółową symulację na dużą skalę. Ta najnowocześniejsza symulacja, znana jako TNG50, pozwoli badaczom zbadać, w jaki sposób kosmos ewoluował zarówno w szczegółach, jak i na dużą skalę.
TNG50 to najnowsza symulacja opracowana przez IllustrisTNG, trwający projekt poświęcony tworzeniu dużych, kosmologicznych symulacji powstawania galaktyk. Przełomowe jest to, że unika tradycyjnych kompromisów, z którymi astronomowie muszą się zmagać. Krótko mówiąc, szczegółowe symulacje cierpiały z powodu małej objętości w przeszłości, co utrudniało wnioskowanie statystyczne o wielkiej skali kosmicznej ewolucji.
Z drugiej strony, w symulatorach o dużej objętości tradycyjnie brakuje szczegółów, aby odtworzyć wiele małych właściwości Wszechświata, co czyni ich przewidywania mniej wiarygodnymi. TNG50 jest pierwszą tego rodzaju symulacją, ponieważ udaje mu się połączyć ideę symulacji na dużą skalę - koncepcję „Wszechświata w pudełku” - z rodzajem rozdzielczości, która wcześniej była możliwa tylko w przypadku symulacji galaktyk.
Było to możliwe dzięki superkomputerowi Hazel Hen w Stuttgarcie, gdzie 16 000 rdzeni pracowało razem przez ponad rok - najdłuższa i najbardziej zasobochłonna symulacja do tej pory. Sama symulacja składa się z sześcianu przestrzeni o średnicy ponad 230 milionów lat świetlnych, który zawiera ponad 20 miliardów cząstek reprezentujących ciemną materię, gwiazdy, gaz kosmiczny, pola magnetyczne i supermasywne czarne dziury (SMBH).
TNG50 może także rozpoznać zjawiska fizyczne występujące na skalach do jednej milionowej całkowitej objętości (tj. 230 lat świetlnych). Pozwala to symulacji prześledzić jednoczesną ewolucję tysięcy galaktyk w ciągu 13,8 miliarda lat kosmicznej historii. Wyniki ich symulacji zostały opublikowane w dwóch artykułach, które niedawno ukazały się w czasopiśmie Miesięczne zawiadomienia Royal Astronomical Society.
Oba badania były prowadzone przez dr Annalisę Pillepich z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka oraz dr Dylana Nelsona z Instytutu Astrofizyki im. Maxa Plancka. Jak wyjaśnił Dylan w komunikacie prasowym RAS:
„Tego rodzaju eksperymenty numeryczne są szczególnie skuteczne, gdy wydostajesz się więcej niż wkładasz. W naszej symulacji widzimy zjawiska, które nie zostały wyraźnie zaprogramowane w kodzie symulacji. Zjawiska te powstają w naturalny sposób, ze złożonego wzajemnego oddziaływania podstawowych fizycznych składników naszego modelowego wszechświata. ”
Ponadto TNG50 jest pierwszą tego rodzaju symulacją dwóch pojawiających się zjawisk, które odgrywają kluczową rolę w ewolucji galaktyk. Po pierwsze, zespół badawczy zauważył, że kiedy spojrzeli w przeszłość, uporządkowane, szybko wirujące galaktyki tarczowe (takie jak Droga Mleczna) wyłoniły się z początkowo chaotycznych chmur gazu.
Gdy gaz ten opadł, nowonarodzone gwiazdy przyjęły coraz bardziej okrągłe orbity, ostatecznie ustępując miejsca dużym galaktykom spiralnym. Jak wyjaśniła dr Annalisa Pillepich:
„W praktyce TNG50 pokazuje, że nasza własna galaktyka Drogi Mlecznej ze swoim cienkim dyskiem jest u szczytu mody galaktyk: w ciągu ostatnich 10 miliardów lat przynajmniej te galaktyki, które wciąż tworzą nowe gwiazdy, stają się coraz bardziej podobne do dysków, a ich chaotyczne ruchy wewnętrzne znacznie się zmniejszyły. Wszechświat był znacznie bardziej chaotyczny, gdy miał zaledwie kilka miliardów lat! ”
Drugie pojawiające się zjawisko pojawiło się, gdy galaktyki uległy spłaszczeniu w symulacji, w której zaobserwowano szybkie wiatry gazu wypływające z galaktyk. Było to spowodowane eksplozjami supernowych i aktywnością SMBH w sercu symulowanych galaktyk. Po raz kolejny proces początkowo był chaotyczny z gazem wypływającym we wszystkich kierunkach, ale ostatecznie stał się bardziej skupiony na ścieżce najmniejszego oporu.
W obecnej epoce kosmologicznej przepływy te mają kształt stożka i wypływają z przeciwległych krańców galaktyki, a materiał zwalnia, gdy opuszcza niewidzialną studnię grawitacyjną halo ciemnej materii galaktyki. W końcu materiał ten przestaje wypływać na zewnątrz i zaczyna opadać, skutecznie stając się galaktyczną fontanną odzyskanego gazu.
Innymi słowy, ta symulacja jest również pierwszą tego rodzaju, która pokazuje, w jaki sposób geometria kosmicznego gazu przepływającego wokół galaktyk determinuje ich struktury (i odwrotnie). Za swoją pracę dr Pillepich i dr Nelson otrzymali nagrodę Golden Spike Award 2019, przyznawaną członkom międzynarodowej społeczności badawczej przez High-Performance Computer Center w Stuttgarcie w Niemczech.
Dr Nelson i ich koledzy również zakładają, aby ostatecznie udostępnić wszystkie dane symulacyjne TNG50 społeczności astronomicznej i opinii publicznej. Umożliwi to astronomom i naukowcom obywatelskim dokonywanie własnych odkryć na podstawie symulacji, które mogą obejmować dodatkowe przykłady pojawiających się zjawisk kosmicznych lub rozwiązań na trwałe kosmiczne tajemnice.
