Siden midten av 1900-tallet har forskere hatt en ganske god ide om hvordan universet ble til. Kosmisk ekspansjon og oppdagelsen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB) lånte troverdighet til Big Bang Theory, og den akselererende ekspansjonshastigheten førte til teorier om Dark Energy. Fortsatt er det mye om det tidlige universet som forskere fortsatt ikke kjenner, noe som krever at de er avhengige av simuleringer av kosmisk evolusjon.
Dette har tradisjonelt utgjort litt av et problem, siden begrensningene i databehandling innebar at simulering enten kunne være i stor skala eller detaljert, men ikke begge deler. Imidlertid fullførte et team av forskere fra Tyskland og USA nylig den mest detaljerte storstilt simulering til dags dato. Denne moderne simuleringen, kjent som TNG50, vil tillate forskere å studere hvordan kosmos utviklet seg både i detalj og i stor skala.
TNG50 er den siste simuleringen produsert av IllustrisTNG, et pågående prosjekt dedikert til å lage store, kosmologiske simuleringer av galaksedannelse. Det er banebrytende ved at det unngår at de tradisjonelle avvekslingsastronomene blir tvunget til å kjempe med. Kort sagt, detaljerte simuleringer led av lavt volum i fortiden, noe som gjorde statistiske fradrag om storskala kosmisk evolusjon vanskelig.
Simuleringer i stort volum derimot, mangler tradisjonelt detaljene for å gjengi mange av småskalaegenskapene til Universet, noe som gjør spådommene mindre pålitelige. TNG50 er den første simuleringen i sitt slag ved at den klarer å kombinere ideen om storstilt simuleringer - "Universe in a box" -konseptet - med den typen oppløsning som tidligere bare var mulig med galakssimuleringer.
Dette ble muliggjort av Hazel Hen-superdatamaskinen i Stuttgart, der 16.000 kjerner jobbet sammen i mer enn ett år - den lengste og mest ressurskrevende simuleringen til dags dato. Selve simuleringen består av en kube av rommet som måler mer enn 230 millioner lysår i diameter som inneholder mer enn 20 milliarder partikler som representerer mørk materie, stjerner, kosmisk gass, magnetiske felt og supermassive sorte hull (SMBH).
TNG50 kan også skille fysiske fenomener som oppstår på skalaer ned til en milliondel av det totale volumet (dvs. 230 lysår). Dette gjør at simuleringen kan spore den samtidig utviklingen av tusenvis av galakser i løpet av 13,8 milliarder år med kosmisk historie. Resultatene av simuleringen deres ble publisert i to artikler som nylig ble vist i tidsskriftet Månedlige merknader fra Royal Astronomical Society.
Begge studiene ble ledet av Dr. Annalisa Pillepich fra Max Planck Institute for Astronomy, og Dr. Dylan Nelson fra Max Planck Institute for Astrophysics. Som Dylan forklarte i en RAS-pressemelding:
"Numeriske eksperimenter av denne typen er spesielt vellykkede når du kommer ut mer enn du legger inn. 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. ”
I tillegg er TNG50 den første simuleringen i sitt slag til to nye fenomener som spiller en nøkkelrolle i galaksenes utvikling. Først la forskerteamet merke til at da de så tilbake i tid, kom de ordnede, raskt roterende skivegalakser (som Melkeveien) opp fra opprinnelig kaotiske skyer av gass.
Etter hvert som denne gassen slo seg ned, adopterte nyfødte stjerner stadig mer sirkulære baner og etter hvert vike for store spiralgalakser. Som Dr. Annalisa Pillepich forklarte:
"I praksis viser TNG50 at vår egen Melkeveisakse med sin tynne plate er på høyden av galaksmote: I løpet av de siste 10 milliarder årene har i det minste de galaksene som fremdeles danner nye stjerner blitt mer og mer skive-lignende, og deres kaotiske indre bevegelser har redusert betraktelig. Universet var mye rotete da det bare var noen milliarder år gammelt! ”
Det andre fremvoksende fenomenet dukket opp da galaksene flet ut i simuleringen, der høye hastigheter av gassvind ble sett strømme ut av galakser. Dette ble drevet av supernovaeeksplosjoner og aktivitet fra SMBHs i hjertet av de simulerte galaksene. Nok en gang var prosessen opprinnelig kaotisk med gass som strømmet ut i alle retninger, men ble etter hvert mer fokusert langs en vei med minst motstand.
Etter den nåværende kosmologiske epoken blir disse strømningene kjegleformede og flyter fra de motsatte ender av galaksen, med materialet som bremser opp når det forlater den usynlige tyngdekraften i galakas mørke materiehalo. Etter hvert slutter dette materialet å strømme utover og begynner å falle tilbake i, og blir faktisk en galaktisk fontene med resirkulert gass.
Med andre ord, denne simuleringen er også den første i sitt slag som viser hvordan geometrien til kosmisk gass strømmer rundt galakser bestemmer deres strukturer (og omvendt). For sitt arbeid ble Dr. Pillepich og Dr. Nelson tildelt Golden Spike Award fra 2019, som blir gitt ut til medlemmer av det internasjonale forskningsmiljøet av High-Performance Computer Center i Stuttgart, Tyskland.
Dr. Nelson og deres kolleger planter også for etter hvert å frigjøre alle TNG50-simuleringsdataene til det astronomiske samfunnet og for publikum. Dette vil tillate astronomer og innbyggerforskere å gjøre sine egne funn fra simuleringen, som kan inkludere ytterligere eksempler på nye kosmiske fenomener eller oppløsninger om varige kosmiske mysterier.
