Dannelsen av galakser er en kompleks dans mellom materie og energi, som forekommer på en scene med kosmiske proporsjoner og spenner over milliarder av år. Hvordan mangfoldet av strukturerte og dynamiske galakser vi observerer i dag, oppsto fra Big Bangs brennende kaos forblir et av de vanskeligste uløste gåtene i kosmologien.
På jakt etter svar har et internasjonalt team av forskere laget den mest detaljerte storskala modellen av universet til dags dato, en simulering de kaller TNG50. Deres virtuelle univers, rundt 230 millioner lysår bredt, inneholder titusenvis av utviklende galakser med detaljeringsnivåer som tidligere bare var sett i modeller med en galakse. Simuleringen sporet over 20 milliarder partikler som representerer mørk materie, gasser, stjerner og supermassive sorte hull, over en periode på 13,8 milliarder år.
Den enestående oppløsningen og skalaen gjorde det mulig for forskerne å samle nøkkelinnsikt i vår egen universets fortid, og avslørte hvordan forskjellige merkelig formede galakser forandret seg til å bli og hvordan stjerners eksplosjoner og sorte hull utløste denne galaktiske utviklingen. Resultatene deres blir publisert i to artikler som skal vises i desember 2019-utgaven av tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
TNG50 er den siste simuleringen opprettet av IllustrisTNG-prosjektet, som har som mål å bygge et fullstendig bilde av hvordan universet vårt utviklet seg siden Big Bang ved å produsere et storstilt univers uten å ofre de fine detaljene i individuelle galakser.
"Disse simuleringene er enorme datasett der vi kan lære massevis ved å dissekere og forstå dannelsen og utviklingen av galakser i dem," sa Paul Torrey, førsteamanuensis i fysikk ved University of Florida og medforfatter av studien. "Det som er grunnleggende nytt med TNG50, er at du får en tilstrekkelig høy masse og romlig oppløsning i galaksen til å gi deg et klart bilde av hvordan den interne strukturen i systemene ser ut når de former seg og utvikler seg."
Modellens oppmerksomhet på detaljer koster noe. Simuleringen krevde 16.000 prosessorkjerner fra Hazel Hen-superdatamaskinen i Stuttgart, Tyskland, og kjørte kontinuerlig i mer enn ett år. Den samme beregningen vil ta et enkelt prosessorsystem 15 000 år å beregne. Til tross for at de er en av de mest beregningsmessige tunge astrofysiske simuleringene i historien, mener forskerne at investeringene deres har lønnet seg.
"Numeriske eksperimenter av denne typen er spesielt vellykkede når du kommer ut mer enn du legger inn," sa Dylan Nelson, en postdoktor ved Max Planck Institute for Astrophysics i München, Tyskland, og medforfatter av studien, i en uttalelse . "I simuleringen vår ser vi fenomener som ikke hadde blitt programmert eksplisitt i simuleringskoden. Disse fenomenene dukker opp på en naturlig måte, fra det komplekse samspillet mellom de grunnleggende fysiske ingrediensene i vårt modellunivers."
Det nye fenomenet kan være avgjørende for å forstå hvorfor universet vårt ser ut som det er i dag 13,8 milliarder år etter Big Bang. TNG50 tillot forskere å se førstehånds hvordan galakser kan ha dukket opp fra de turbulente gassskyer som var til stede rett etter at universet ble født. De oppdaget at de skiveformede galaksene som er felles for vårt kosmiske nabolag, naturlig framkom i simuleringen deres og produserte indre strukturer, inkludert spiralarmer, bukker og stenger som strekker seg fra de sentrale supermassive sorte hullene. Når de sammenlignet sitt datagenererte univers med observasjoner fra det virkelige liv, fant de at deres befolkning av galakser var kvalitativt i samsvar med virkeligheten.
Da galaksene deres fortsatte å flate inn i velordnede roterende disker, begynte et annet fenomen å dukke opp. Supernova-eksplosjoner og supermassive sorte hull i hjertet av hver galakse skapte høye hastigheter utstrømming av gass. Disse utstrømmene forvandlet seg til gassfontener som steg tusenvis av lysår over en galakse. Tyngdekraften brakte til slutt mye av denne gassen tilbake til galakasens disk, og distribuerte den til ytterkanten og skapte en tilbakemeldingssløyfe av gassutstrømning og innstrømning. Bortsett fra å resirkulere ingrediensene for å danne nye stjerner, ble utstrømmene også vist å endre galaksens struktur. De resirkulerte gassene akselererte transformasjonen av galakser til tynne roterende disker.
Til tross for disse første funnene, er teamet langt fra ferdig med å dissekere modellen sin. De planlegger også å gi ut alle simuleringens data offentlig for astronomer over hele verden for å studere deres virtuelle kosmos.
"Det er en enorm vei foran oss nå som vi har gjennomført disse simuleringene," sa Torrey. "Et helt team av forskere jobber for å bedre forstå de detaljerte egenskapene til galaksene som dannes og hvilke fremvoksende trender som dukker opp i disse dataene."
