Od sredine 20. stoletja so znanstveniki imeli precej dobro predstavo o tem, kako je nastalo vesolje. Kozmična ekspanzija in odkritje kozmičnega mikrovalovnega ozadja (CMB) je prineslo verodostojnost teoriji velikega poka, pospešitev hitrosti širitve pa je privedla do teorij o temni energiji. Kljub temu znanstveniki še vedno ne vedo veliko o zgodnjem vesolju, kar zahteva, da se zanašajo na simulacije kozmične evolucije.
To je tradicionalno predstavljalo nekaj težav, saj so omejitve računalništva pomenile, da je simulacija lahko velika ali podrobna, vendar ne obojega. Vendar je ekipa znanstvenikov iz Nemčije in Združenih držav Amerike pred kratkim zaključila najsodobnejšo obsežno simulacijo do zdaj. Najbolj znana kot TNG50 bo ta najsodobnejša simulacija raziskovalcem omogočila, da preučijo, kako se je vesolje razvijal tako v podrobnostih kot v velikem obsegu.
TNG50 je zadnja simulacija, ki jo je izdelal IllustrisTNG, tekoči projekt, namenjen ustvarjanju velikih, kozmoloških simulacij tvorbe galaksij. Prelomen je v tem, da se izogiba tradicionalnim kompromisnim astronomom, s katerimi se silijo spoprijeti. Skratka, podrobne simulacije so bile v preteklosti majhne količine, kar je otežilo statistične sklepe o obsežni kozmični evoluciji.
Po drugi strani pa simulacijam velikega obsega tradicionalno primanjkuje podrobnosti, da bi reproducirali številne lastnosti majhnega obsega, ki jih ima vesolje, zaradi česar so njihove napovedi manj zanesljive. TNG50 je prva tovrstna simulacija, saj uspe združiti idejo obsežnih simulacij - koncept "Vesolje v škatli" - z vrsto ločljivosti, ki je bila prej mogoča samo s simulacijami galaksije.
To je omogočil superračunalnik Hazel Hen v Stuttgartu, kjer je 16.000 jeder skupaj delalo več kot leto dni - najdaljša in najbolj intenzivna simulacija doslej. Sama simulacija je sestavljena iz kocke prostora, ki meri v premeru več kot 230 milijonov svetlobnih let, ki vsebuje več kot 20 milijard delcev, ki predstavljajo temno snov, zvezde, kozmični plin, magnetna polja in supermasivne črne luknje (SMBH).
TNG50 lahko zazna tudi fizikalne pojave, ki se pojavljajo na tehtnicah do ene milijone celotne prostornine (to je 230 svetlobnih let). To omogoča simulacijo sledenja sočasnemu razvoju tisoč galaksij v 13,8 milijarde let kozmične zgodovine. Rezultati njihove simulacije so bili objavljeni v dveh prispevkih, ki sta se nedavno pojavila v reviji Mesečna obvestila Royal Astronomical Society.
Obe študiji sta vodili dr. Annalisa Pillepich z Inštituta za astronomijo Max Planck in dr. Dylan Nelson z Inštituta za astrofiziko Max Planck. Kot je Dylan pojasnil v sporočilu za RAS:
"Takšni numerični eksperimenti so še posebej uspešni, ko se izvlečete več, kot jih vložite. V naši simulaciji vidimo pojave, ki niso bili izrecno programirani v simulacijsko kodo. Ti pojavi se pojavljajo na naraven način iz zapletene prepletenosti osnovnih fizikalnih sestavin našega vzorčnega vesolja. "
Poleg tega je TNG50 prva takšna simulacija dveh pojavnih pojavov, ki imata ključno vlogo pri razvoju galaksij. Prvič, raziskovalna skupina je opazila, da so se iz urejenih kaotičnih plinov pojavile urejene, hitro vrteče se diskovne galaksije (kot Mlečna pot).
Ko se je ta plin naselil, so novorojene zvezde sprejemale vedno bolj krožne orbite in sčasoma popuščale velikim spiralnim galaksijam. Kot je pojasnila dr. Annalisa Pillepich:
"TNG50 v praksi kaže, da je naša galaksija Mlečni pot s svojim tankim diskom na vrhuncu modnih galaksij: v zadnjih 10 milijard letih so vsaj tiste galaksije, ki še tvorijo nove zvezde, vedno bolj podobne plošči, in njihovi kaotični notranji gibi so se znatno zmanjšali. Vesolje je bilo veliko manj mesno, ko je bilo le nekaj milijard let! "
Drugi pojavni pojav se je pojavil, ko so se galaksije v simulaciji izravnale, kjer so bili opaženi hitri vetrovi plina, ki odtekajo iz galaksij. K temu so pripomogle eksplozije supernov in dejavnosti SMBH, ki so v središču simuliranih galaksij. Ponovno je bil postopek sprva kaotičen, plin se je pretakal v vseh smereh, sčasoma pa je postajal bolj osredotočen na pot najmanjšega upora.
V trenutni kozmološki epohi ti tokovi postanejo stožčaste oblike in se pretakajo z nasprotnih koncev galaksije, material pa se upočasni, ko zapušča nevidno gravitacijsko jamico temne snovi galaksije. Sčasoma ta material preneha teči navzven in začne padati nazaj, tako da dejansko postane galaktični vodnjak recikliranega plina.
Z drugimi besedami, ta simulacija je tudi prva tovrstna simulacija, ki prikazuje, kako geometrija kozmičnega plina, ki teče okoli galaksij, določa njihove strukture (in obratno). Za svoje delo sta dr. Pillepich in dr. Nelson prejela nagrado Golden Spike za leto 2019, ki jo članom mednarodne raziskovalne skupnosti podeljuje Visoko zmogljiv računalniški center v Stuttgartu v Nemčiji.
Dr Nelson in njihovi sodelavci si tudi pripravljajo, da bodo sčasoma vse podatke o simulacijah TNG50 sprostili astronomski skupnosti in javnosti. To bo astronomom in državljanskim znanstvenikom omogočilo, da od simulacije naredijo svoja lastna odkritja, ki bi lahko vključevala dodatne primere nastajajočih kozmičnih pojavov ali ločljivosti do trajnih kozmičnih skrivnosti.
