De la mijlocul secolului XX, oamenii de știință au avut o idee destul de bună despre cum a ajuns Universul. Expansiunea cosmică și descoperirea fundalului cosmic cu microunde (CMB) au acordat credibilitate Teoriei Big Bang, iar rata de accelerare a expansiunii a dus la teorii despre energia întunecată. Cu toate acestea, există multe despre Universul timpuriu pe care oamenii de știință încă nu îl cunosc, ceea ce necesită să se bazeze pe simulări pe evoluția cosmică.
Acest lucru a creat, în mod tradițional, o problemă, deoarece limitările de calcul au însemnat că simularea poate fi fie pe scară largă, fie detaliată, dar nu ambele. Cu toate acestea, o echipă de oameni de știință din Germania și Statele Unite a completat recent cea mai detaliată simulare pe scară largă până în prezent. Cunoscută sub numele de TNG50, această simulare de ultimă generație va permite cercetătorilor să studieze modul în care a evoluat cosmosul atât în detaliu cât și pe scară largă.
TNG50 este cea mai recentă simulare produsă de IllustrisTNG, un proiect în desfășurare dedicat creării unor simulări cosmologice mari de formare a galaxiei. Este de ultimă oră în sensul că evită compromisurile tradiționale cu care astronomii sunt obligați să facă față. Pe scurt, simulările detaliate au suferit de volum redus în trecut, ceea ce a făcut dificilă deducerea statistică a evoluției cosmice la scară largă.
Pe de altă parte, simulările cu volum mare, în mod tradițional, nu au detaliu pentru a reproduce multe dintre proprietățile la scară mică, cele ale Universului, ceea ce face ca predicțiile lor să fie mai puțin fiabile. TNG50 este prima simulare de acest fel prin faptul că reușește să combine ideea simulărilor pe scară largă - conceptul „Universul într-o cutie” - cu rezoluția care anterior era posibilă doar cu simulări de galaxie.
Acest lucru a fost posibil de supercomputerul Hazel Hen din Stuttgart, unde 16.000 de nuclee au lucrat împreună mai mult de un an - cea mai lungă și cea mai intensă simulare cu resurse până în prezent. Simularea în sine constă dintr-un cub de spațiu care măsoară mai mult de 230 de milioane de ani lumină în diametru care conține peste 20 de miliarde de particule reprezentând materie întunecată, stele, gaze cosmice, câmpuri magnetice și găuri negre super-masive (SMBHs).
TNG50 poate, de asemenea, discerne fenomenele fizice care apar pe o scară până la o milionime din volumul total (adică 230 de ani-lumină). Aceasta permite simularea să urmărească evoluția simultană a mii de galaxii pe parcursul a 13,8 miliarde de ani de istorie cosmică. Rezultatele simulării lor au fost publicate în două lucrări apărute recent în jurnal Avize lunare ale Royal Astronomical Society.
Ambele studii au fost conduse de Dr. Annalisa Pillepich, de la Institutul Max Planck pentru Astronomie, și de Dr. Dylan Nelson, de la Institutul Max Planck pentru Astrofizică. După cum a explicat Dylan într-un comunicat de presă RAS:
„Experimente numerice de acest gen sunt deosebit de reușite atunci când obții mai mult decât ai introdus. În simularea noastră, vedem fenomene care nu au fost programate explicit în codul de simulare. Aceste fenomene apar într-un mod natural, din interacțiunea complexă a ingredientelor fizice de bază ale universului nostru model. ”
În plus, TNG50 este prima simulare de acest fel la două fenomene emergente care joacă un rol cheie în evoluția galaxiilor. În primul rând, echipa de cercetare a observat că pe măsură ce priveau înapoi în timp, acele galaxii de disc cu rotație ordonată (precum Calea Lactee) au apărut din nori de gaz inițial haotici.
Pe măsură ce acest gaz s-a instalat, stelele nou-născuților au adoptat orbite din ce în ce mai circulare, cedând în cele din urmă la mari galaxii în spirală. După cum a explicat dr. Annalisa Pillepich:
„În practică, TNG50 arată că propria noastră galaxie a Calității Lactee cu discul său subțire este la apogeul modei galaxiei: în ultimii 10 miliarde de ani, cel puțin acele galaxii care încă formează stele noi au devenit din ce în ce mai discrete, iar mișcările lor haotice interne au scăzut considerabil. Universul era mult mai dezordonat când avea doar câteva miliarde de ani! ”
Al doilea fenomen emergent a apărut pe măsură ce galaxiile s-au aplatizat în simulare, unde vânturile de gaz de mare viteză au ieșit din galaxii. Aceasta a fost determinată de explozii de supernove și de activitatea SMBH din inima galaxiilor simulate. Încă o dată, procesul a fost inițial haotic, cu gazul care curge în toate direcțiile, dar în cele din urmă a devenit mai concentrat pe o cale de rezistență minimă.
În epoca cosmologică actuală, aceste fluxuri devin în formă de con și curg din capetele opuse ale galaxiei, materialul încetinindu-se deoarece lasă gravitatea invizibilă a halo-ului materiei întunecate a galaxiei. În cele din urmă, acest material încetează să mai curgă spre exterior și începe să cadă înapoi, devenind efectiv o fântână galactică de gaz reciclat.
Cu alte cuvinte, această simulare este, de asemenea, prima de acest fel care arată modul în care geometria fluxului de gaze cosmice în jurul galaxiilor determină structurile lor (și invers). Pentru munca lor, dr. Pillepich și dr. Nelson au primit premiul Golden Spike din 2019, care este eliberat membrilor comunității internaționale de cercetare de către Centrul de înaltă performanță din Stuttgart, Germania.
Dr. Nelson și colegii lor plantează, de asemenea, să elibereze în cele din urmă toate datele de simulare TNG50 către comunitatea astronomică și pentru public. Acest lucru va permite astronomilor și oamenilor de știință cetățeni să-și facă propriile descoperiri din simulare, care ar putea include exemple suplimentare de fenomene cosmice emergente sau rezoluții pentru mistere cosmice durabile.
