1900-luvun puolivälistä lähtien tutkijoilla on ollut melko hyvä ajatus siitä, miten maailmankaikkeus tuli. Kosminen laajentuminen ja kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) löytäminen antoivat uskottavuutta Big Bang Theory -teorialle, ja kiihtyvä laajenemisnopeus johti teorioihin Dark Energystä. Varhaisesta maailmankaikkeudesta, jota tutkijat eivät vieläkään tiedä, on kuitenkin paljon, mikä edellyttää heidän luottavan kosmisen evoluution simulaatioihin.
Tämä on perinteisesti aiheuttanut pienen ongelman, koska laskennan rajoitukset tarkoittivat, että simulaatio voi olla joko laajamittainen tai yksityiskohtainen, mutta ei molempia. Saksalaisten ja yhdysvaltalaisten tutkijoiden ryhmä valmisti kuitenkin äskettäin yksityiskohtaisimman laajamittaisen simulaation. Tämän tunnetun tekniikan mukainen simulaatio, joka tunnetaan nimellä TNG50, antaa tutkijoille mahdollisuuden tutkia kuinka kosmos kehittyi sekä yksityiskohtaisesti että laajassa mittakaavassa.
TNG50 on IllustrisTNG: n tuottama viimeisin simulointi, käynnissä oleva projekti, joka on omistettu suurten, kosmologisten galaksien muodostumisen simulaatioiden luomiseen. Se on uraauurtava siinä, että sillä vältetään perinteiset kompromissit, joita tähtitieteilijöiden on pakko taistella. Lyhyesti sanottuna yksityiskohtaiset simulaatiot kärsivät aiemmin alhaisesta äänenvoimakkuudesta, mikä vaikeutti tilastollisia päätelmiä laaja-alaisesta kosmisesta evoluutiosta.
Suurten volyymien simuloinnissa sitä vastoin perinteisesti puuttuu yksityiskohdat monien maailmankaikkeuden pienimuotoisten ominaisuuksien toistamiseksi, mikä tekee niiden ennusteista vähemmän luotettavia. TNG50 on ensimmäinen laatuaan oleva simulaatio siinä mielessä, että se onnistuu yhdistämään suuren mittakaavan simulaatioiden ajatuksen - ”Universe in the box” -konseptin - sellaiseen tarkkuuteen, joka aiemmin oli mahdollista vain galaksisimulaatioilla.
Tämän mahdollisti Hazel Hen -supertietokone Stuttgartissa, jossa 16 000 ydintä työskentelivät yhdessä yli vuoden ajan - pisin ja resurssiintensiivisin simulointi tähän mennessä. Itse simulaatio koostuu yli 230 miljoonan valovuoden läpimittaisesta avaruuskuutiosta, joka sisältää yli 20 miljardia hiukkasta, jotka edustavat tummaa ainetta, tähtiä, kosmista kaasua, magneettikenttiä ja supermassiivisia mustia reikiä (SMBH).
TNG50 voi myös havaita fysikaalisia ilmiöitä, joita esiintyy asteikkoissa miljoona miljoonaan kokonaistilavuudesta (ts. 230 valovuotta). Tämän avulla simulaatio voi jäljittää tuhansien galaksien samanaikaisen kehityksen kosmisen historian aikana 13,8 miljardia vuotta. Niiden simuloinnin tulokset julkaistiin kahdessa lehdessä äskettäin ilmestyneessä lehdessä Kuukausittaiset ilmoitukset Royal Astronomical Society -tapahtumasta.
Molempia tutkimuksia johtivat tri Annalisa Pillepich Max Planckin tähtitieteen instituutista ja tohtori Dylan Nelson Max Planckin astrofysiikan instituutista. Kuten Dylan selitti RAS: n lehdistötiedotteessa:
"Tämän tyyppiset numeeriset kokeet ovat erityisen onnistuneita, kun saavutat enemmän kuin laitat. Simulaatiossamme näemme ilmiöitä, joita ei ollut ohjelmoitu nimenomaisesti simulaatiokoodiin. Nämä ilmiöt ilmenevät luonnollisella tavalla mallin maailmankaikkeuden fysikaalisten perusosien monimutkaisesta vuorovaikutuksesta. "
Lisäksi TNG50 on ensimmäinen laatuaan oleva simulointi kahdelle esiintyvälle ilmiölle, joilla on avainasemassa galaksien evoluutiossa. Ensinnäkin, tutkimusryhmä huomasi, että kun he ajattelivat taaksepäin, nämä järjestäytyneet, nopeasti pyörivät levy galaksit (kuten Linnunrata) syntyivät alun perin kaoottisista kaasupilvistä.
Kun tämä kaasu asettui, vastasyntyneet tähdet omaksuivat yhä enemmän pyöreitä kiertoratoja, antaen lopulta tien suurille kierteellisille galakseille. Kuten tohtori Annalisa Pillepich selitti:
"Käytännössä TNG50 osoittaa, että oma Linnunradan galaksi, jossa on ohut levy, on galaksin muodin huipulla: viimeisen 10 miljardin vuoden aikana ainakin niistä galakseista, jotka muodostavat edelleen uusia tähtiä, on tullut yhä levymäisempiä, ja heidän kaoottiset sisäiset liikkeet ovat vähentyneet huomattavasti. Universumi oli paljon sotkuisempi, kun se oli vain muutama miljardi vuotta vanha! ”
Toinen esiin nouseva ilmiö ilmestyi, kun galaksit tasoittuivat simulaatiossa, jossa nähtiin nopea kaasun tuuli virtaavan galakseista. Tämän taustalla olivat supernoova-räjähdykset ja SMBH: n aktiivisuus simuloitujen galaksien ytimessä. Jälleen kerran, prosessi oli alun perin kaoottinen kaasun virtaamalla kaikkiin suuntiin, mutta lopulta siitä tuli keskittynyt vähiten vastustuskykyistä polkua pitkin.
Nykyisessä kosmologisessa aikakaudella nämä virtaukset muuttuvat kartion muotoisiksi ja virtaavat galaksin vastakkaisista päistä materiaalin hidastuessa, koska se jättää galaksin pimeän aineen näkymättömän painovoiman kaivoon. Lopulta tämä materiaali lakkaa virtaamasta ulospäin ja alkaa pudota takaisin sisään, tultuaan käytännöllisesti katsoen kierrätetyn kaasun galaktiseksi suihkulähteeksi.
Toisin sanoen, tämä simulaatio on myös ensimmäinen laatuaan osoittaen, kuinka kosmisen kaasun geometria virtaa galaksien ympäri määrittelee niiden rakenteet (ja päinvastoin). Tri Pillepich ja tohtori Nelson saivat työstään vuoden 2019 Golden Spike Award -palkinnon, jonka Stuttgartissa, Saksassa sijaitseva High-Performance Computer Center myöntää kansainvälisen tutkimusyhteisön jäsenille.
Tohtori Nelson ja heidän kollegansa myös julkaisevat lopulta kaikki TNG50-simulaatiotiedot tähtitieteelliselle yhteisölle ja yleisölle. Tämä antaa tähtitieteilijöiden ja kansalaistutkijoiden tehdä omat löytönsä simulaatiosta, joka voi sisältää lisäesimerkkejä syntyvistä kosmisista ilmiöistä tai päätöslauselmista kestäviin kosmisiin mysteereihin.
