Galaksien muodostuminen on monimutkainen tanssi aineen ja energian välillä, tapahtuen kosmisissa mittasuhteissa ja kattaen miljardeja vuosia. Se, miten rakenteellisten ja dynaamisten galaksien monimuotoisuus, jota tänään havaitsemme, johtui Ison räjähdyksen tulisesta kaaoksesta, on edelleen yksi vaikeimmista ratkaisematta olevista kosmologian arvoituksista.
Kansainvälinen tutkijaryhmä on etsinyt vastauksia etsimään tähän mennessä yksityiskohtaisimman maailmanlaajuisen mallin, jota kutsutaan TNG50: ksi. Niiden virtuaaliuniversumi, noin 230 miljoonaa valovuotta leveä, sisältää kymmeniä tuhansia kehittyviä galakseja, joiden yksityiskohdat ovat aiemmin nähneet vain yhden galaksin malleissa. Simulaatio seurasi yli 20 miljardia hiukkasta, jotka edustavat tummaa ainetta, kaasuja, tähtiä ja supermassiivisia mustia reikiä 13,8 miljardin vuoden aikana.
Ennennäkemätön resoluutio ja mittakaava antoivat tutkijoille mahdollisuuden koota tärkeimpiä näkemyksiä oman maailmankaikkeuden menneisyydestä paljastaen, kuinka erilaiset omituisen muodon galaksit morfioivat itsensä olemukseksi ja kuinka tähtien räjähdykset ja mustat aukot laukaisivat tämän galaktisen evoluution. Niiden tulokset julkaistaan kahdessa artikkelissa, jotka julkaistaan Monthly Notices of Royal Astronomical Society -lehden joulukuun 2019 numerossa.
TNG50 on IllustrisTNG-projektin luoma viimeisin simulaatio, jonka tavoitteena on rakentaa täydellinen kuva siitä, kuinka maailmankaikkeusmme kehittyi Ison räjähdyksen jälkeen tuottamalla laajamittainen maailmankaikkeus uhramatta yksittäisten galaksien hienoja yksityiskohtia.
"Nämä simulaatiot ovat valtavia tietokokonaisuuksia, joissa voimme oppia tonnin jakamalla ja ymmärtämällä galaksien muodostumista ja kehitystä", kertoi Floridan yliopiston fysiikan apulaisprofessori ja tutkimuksen yhteis kirjoittaja Paul Torrey. "Mikä on TNG50: n suhteen uusi asia, on se, että saat galakseissa riittävän suuren massa- ja tilaresoluution, joka antaa sinulle selkeän kuvan siitä, miltä järjestelmien sisäinen rakenne näyttää niiden muodostuessa ja kehittyessä."
Mallin huomio yksityiskohtiin tulee jonkin verran. Simulaatio vaati 16 000 suorittimen ydintä Hazel Hen-supertietokoneesta Stuttgartissa, Saksassa, ja se toimi jatkuvasti yli vuoden ajan. Sama laskelma kesti yhden prosessorijärjestelmän 15 000 vuotta laskemaan. Huolimatta siitä, että tutkimus on yksi laskennallisesti raskaimmista astrofysiikan simulaatioista historiassa, tutkijoiden mielestä heidän sijoituksensa on maksettu.
"Tämän tyyppiset numeeriset kokeet ovat erityisen onnistuneita, kun saavutat enemmän kuin laittaa", sanoo Dylan Nelson, Münchenissä, Saksassa sijaitsevan Max Planckin astrofysiikan instituutin tutkijatohtori ja tutkimuksen avustaja Dylan Nelson. . "Simulaatiossamme näemme ilmiöitä, joita ei ollut ohjelmoitu nimenomaisesti simulaatiokoodiin. Nämä ilmiöt ilmenevät luonnollisella tavalla mallin maailmankaikkeuden fysikaalisten perusosien monimutkaisesta vuorovaikutuksesta."
Tämä nouseva ilmiö voi olla välttämätöntä ymmärtääksesi miksi maailmankaikkeusmme näyttää sellaisena kuin se on nykyään 13,8 miljardia vuotta Ison räjähdyksen jälkeen. TNG50 antoi tutkijoiden nähdä ensin, kuinka galaksit ovat saattaneet nousta turbulenteista kaasupilvistä pian maailmankaikkeuden syntymän jälkeen. He huomasivat, että kosmiselle naapuristollemme yhteiset levymäiset galaksit syntyivät luonnollisesti niiden simulaatiossa ja tuottivat sisäisiä rakenteita, mukaan lukien spiraalivarret, kohoumat ja tangot, jotka ulottuivat niiden keskeisistä supermassiivisista mustista reikistä. Kun he vertasivat tietokoneellaan luomaa universumia tosielämän havaintoihin, he havaitsivat galaksipopulaationsa olevan laadullisesti yhdenmukaisia todellisuuden kanssa.
Kun heidän galaksiansa jatkoivat litistymistä hyvin järjestetyiksi pyöriviksi levyiksi, alkoi ilmaantua uusi ilmiö. Supernova räjähdykset ja supermassiiviset mustat aukot jokaisen galaksin ytimessä aiheuttivat kaasun nopean virtauksen. Nämä ulosvirtaukset siirrettiin kaasun suihkulähteiksi, jotka nousivat tuhansia valovuosia galaksin yläpuolelle. Painovoimaveto toi lopulta suuren osan tästä kaasusta takaisin galaksin levylle, jakaen sen uudelleen sen ulkoreunaan ja luomalla palautussilmukan kaasun ulosvirtauksesta ja tulosta. Uusien tähtiä muodostavien aineosien kierrätyksen lisäksi myös ulosvirtausten osoitettiin muuttavan niiden galaksien rakennetta. Kierrätetyt kaasut kiihdyttivät galaksien muuttumista ohuiksi pyöriviksi kiekkoiksi.
Näistä alustavista havainnoista huolimatta ryhmä ei ole kaukana valmistavansa mallin jakamista. He aikovat myös julkaista kaikki simulaation tiedot julkisesti tähtitieteilijöille ympäri maailmaa tutkimaan heidän virtuaalista kosmostaansa.
"Edessämme on valtava tie, kun nämä simulaatiot on saatu päätökseen", Torrey sanoi. "Koko tutkijaryhmä pyrkii ymmärtämään paremmin muodostuneiden galaksien yksityiskohtaisia ominaisuuksia ja sitä, mitä nousevia suuntauksia näissä tiedoissa esiintyy."
