Formarea galaxiilor este un dans complex între materie și energie, care are loc pe un stadiu de proporții cosmice și se întinde pe miliarde de ani. Cum diversitatea galaxiilor structurate și dinamice observate astăzi a apărut din haosul aprins al Big Bang-ului rămâne unul dintre cele mai dificile puzzle-uri nesoluționate ale cosmologiei.
În căutarea răspunsurilor, o echipă internațională de oameni de știință a creat cel mai detaliat model la scară largă a universului până în prezent, o simulare pe care o numesc TNG50. Universul lor virtual, aproximativ 230 de milioane de ani-lumină, conține zeci de mii de galaxii în evoluție, cu niveluri de detaliu văzute anterior doar în modele cu o singură galaxie. Simularea a urmărit peste 20 de miliarde de particule reprezentând materie întunecată, gaze, stele și găuri negre supermasive, pe o perioadă de 13,8 miliarde de ani.
Rezoluția și scala fără precedent au permis cercetătorilor să aducă informații cheie în trecutul universului nostru, dezvăluind modul în care diverse galaxii în formă ciudată s-au transformat în ființă și cum exploziile stelare și găurile negre au declanșat această evoluție galactică. Rezultatele lor sunt publicate în două articole care vor fi prezentate în numărul din decembrie 2019 al revistei lunare Notificări ale Royal Astronomical Society.
TNG50 este cea mai recentă simulare creată de Proiectul IllustrisTNG, care își propune să construiască o imagine completă a modului în care universul nostru a evoluat de la Big Bang producând un univers la scară largă, fără a sacrifica detaliile fine ale galaxiilor individuale.
„Aceste simulări sunt seturi de date uriașe în care putem învăța o tonă, disecând și înțelegând formarea și evoluția galaxiilor din interiorul acestora”, a declarat Paul Torrey, profesor asociat de fizică la Universitatea din Florida și coautor al studiului. "Ce este fundamental nou despre TNG50, este că ajungi la o rezoluție spațială suficient de mare și spațială în cadrul galaxiilor, care îți oferă o imagine clară a aspectului structurii interne a sistemelor pe măsură ce acestea se formează și evoluează."
Atentia modelului pentru detalii vine cu un anumit cost. Simularea a necesitat 16.000 de nuclee de procesor ale supercomputerului Hazel Hen din Stuttgart, Germania, funcționând continuu mai mult de un an. Același calcul ar trebui să calculeze un singur sistem de procesor de 15.000 de ani. În ciuda faptului că este una dintre cele mai grele calcule astrofizice din istorie, cercetătorii cred că investiția lor a dat rezultate.
"Experimentele numerice de acest gen sunt deosebit de reușite atunci când ieșiți mai mult decât ați introdus", a declarat Dylan Nelson, coleg postdoctoral la Institutul Max Planck pentru Astrofizică din Munchen, Germania și coautor al studiului, a declarat într-un comunicat . "În simularea noastră, vedem fenomene care nu au fost programate explicit în codul de simulare. Aceste fenomene apar într-un mod natural, din interacțiunea complexă a ingredientelor fizice de bază ale universului nostru model."
Acest fenomen emergent ar putea fi esențial pentru a înțelege de ce universul nostru apare așa cum este astăzi la 13,8 miliarde de ani după Big Bang. TNG50 le-a permis cercetătorilor să vadă de îndată cum galaxiile au apărut din norii turbulenți de gaze prezenți la scurt timp după nașterea universului. Au descoperit că galaxiile în formă de disc, comune cartierului nostru cosmic, au apărut în mod natural în simularea lor și au produs structuri interne, incluzând brațele spiralate, bombele și barele care se extind din găurile lor supermasive centrale. Când au comparat universul generat de computer cu observațiile din viața reală, au descoperit că populația lor de galaxii este în concordanță calitativă cu realitatea.
Pe măsură ce galaxiile lor continuau să se aplatizeze în discuri rotative bine ordonate, un alt fenomen a început să apară. Exploziile Supernova și găurile negre super-masive din inima fiecărei galaxii au creat fluxuri de gaz de mare viteză. Aceste ieșiri s-au transformat în fântâni de gaz care se ridică la mii de ani-lumină deasupra unei galaxii. Tugul de gravitate a adus în cele din urmă o mare parte din acest gaz pe discul galaxiei, redistribuindu-l la marginea exterioară și creând o buclă de feedback a fluxului și a fluxului de gaz. În afară de reciclarea ingredientelor pentru formarea de stele noi, fluxurile de ieșire au fost, de asemenea, schimbate structura galaxiei lor. Gazele reciclate au accelerat transformarea galaxiilor în discuri rotative subțiri.
În ciuda acestor constatări inițiale, echipa este departe de a-și termina modelul. De asemenea, intenționează să publice toate datele simulării în mod public pentru astronomii din întreaga lume pentru a studia cosmosul lor virtual.
"Există un drum imens înaintea noastră, când avem aceste simulări finalizate", a spus Torrey. "O întreagă echipă de cercetători lucrează pentru a înțelege mai bine proprietățile detaliate ale galaxiilor care se formează și ce tendințe emergente apar în aceste date."
