Tvorba galaksij je zapleten ples med materijo in energijo, ki se odvija na odru kozmičnih razsežnosti in segajo v milijarde let. Kako raznolikost strukturiranih in dinamičnih galaksij, ki jo danes opazujemo, izvira iz ognjenega kaosa Velikega poka, ostaja ena najtežjih nerešenih ugank kozmologije.
V iskanju odgovorov je mednarodna skupina znanstvenikov ustvarila najbolj podroben obsežni model vesolja do danes, simulacijo, ki ji pravijo TNG50. Njihovo virtualno vesolje, široko približno 230 milijonov svetlobnih let, vsebuje več deset tisoč razvijajočih se galaksij s stopnjami podrobnosti, ki so jih prej videli le v modelih z eno galaksijo. Simulacija je v obdobju 13,8 milijard let spremljala več kot 20 milijard delcev, ki predstavljajo temno snov, pline, zvezde in supermasivne črne luknje.
Brez primere ločljivost in obseg sta omogočila raziskovalcem, da so zbrali ključni vpogled v preteklost našega vesolja in razkrili, kako so se različne čudno oblikovane galaksije samevale v bitje in kako so zvezdne eksplozije in črne luknje sprožile to galaktično evolucijo. Njihovi rezultati so objavljeni v dveh člankih, ki bodo predstavljeni v številki revije Mesečna obvestila Royal Astronomical Society iz decembra 2019.
TNG50 je zadnja simulacija, ki jo je ustvaril projekt IllustrisTNG, katere cilj je sestaviti popolno sliko, kako se je naše vesolje razvijalo od velikega poka, tako da je ustvarilo obsežno vesolje, ne da bi pri tem žrtvovalo drobne podrobnosti posameznih galaksij.
"Te simulacije so ogromne množice podatkov, kjer se lahko naučimo tone, če seciramo in razumemo nastajanje in razvoj galaksij znotraj njih," je dejal Paul Torrey, izredni profesor fizike na univerzi na Floridi in soavtor študije. "Kar je novo pri TNG50, je to, da dosežete dovolj visoko maso in prostorsko ločljivost znotraj galaksij, ki omogočajo jasno sliko, kako izgleda notranja struktura sistemov, ko se oblikujejo in razvijajo."
Pozornost modela do detajlov pride za nekaj stroškov. Simulacija je potrebovala 16.000 procesorskih jeder superračunalnika Hazel Hen v Stuttgartu v Nemčiji, ki deluje neprekinjeno več kot eno leto. Za enak izračun bi za izračun enega samega procesorskega sistema potrebovali 15.000 let. Kljub temu, da gre za eno najbolj računalniško težkih astrofizičnih simulacij v zgodovini, raziskovalci menijo, da se jim je naložba izplačala.
"Takšni numerični eksperimenti so še posebej uspešni, ko jih dobite več, kot jih vložite," je v izjavi povedal Dylan Nelson, podoktorski podoktorski inštitut za astrofiziko Max Planck v Münchnu v Nemčiji in soavtor študije. . "V naši simulaciji opazimo pojave, ki niso bili izrecno programirani v simulacijski kod. Ti pojavi se pojavljajo na naraven način iz zapletene prepleta osnovnih fizikalnih sestavin našega vzorčnega vesolja."
Ta nastali pojav je lahko bistven za razumevanje, zakaj se naše vesolje pojavlja takšno, kot je danes, 13,8 milijarde let po velikem udaru. TNG50 je raziskovalcem omogočil, da iz prve roke vidijo, kako so se lahko pojavile galaksije iz nemirnih plinovskih oblakov, prisotnih kmalu po rojstvu vesolja. Odkrili so, da so disk-galaksije, ki so skupne naši kozmični soseščini, naravno nastale v okviru njihove simulacije in ustvarile notranje strukture, vključno s spiralnimi ročicami, izboklinami in palicami, ki segajo od njihovih osrednjih črnih lukenj. Ko so svoje računalniško ustvarjeno vesolje primerjali z opazovanji iz resničnega življenja, so ugotovili, da je njihova populacija galaksij kvalitativno skladna z resničnostjo.
Ko so se njihove galaksije še naprej spuščale v dobro urejene vrteče se diske, se je začel pojavljati še en pojav. Eksplozije supernove in supermasivne črne luknje v središču vsake galaksije so ustvarile hiter odtok plina. Ti odlivi so se prelivali v vodnjake plina, ki se dvigajo na tisoče svetlobnih let nad galaksijo. Teža gravitacije je sčasoma velik del tega plina vrnila na disk galaksije in ga prerazporedila na zunanji rob ter ustvarila povratno zanko odtoka in dotoka plina. Poleg recikliranja sestavin za oblikovanje novih zvezd so bili tudi odtoki, ki spreminjajo strukturo svoje galaksije. Reciklirani plini so pospešili pretvorbo galaksij v tanke vrteče se diske.
Kljub tem začetnim ugotovitvam ekipa še zdaleč ni končala seciranja svojega modela. Načrtujejo tudi, da bodo vsi podatki simulacije javno objavili astronomom po vsem svetu, da bi preučili svoj virtualni kozmos.
"Pred nami je ogromna pot, ko smo te simulacije zaključili," je dejal Torrey. "Celotna skupina raziskovalcev si prizadeva za boljše razumevanje podrobnih lastnosti galaksij, ki se tvorijo, in kakšni novi trendi se kažejo v teh podatkih."
