A galaxisok kialakulása az anyag és az energia közötti összetett tánc, mely kozmikus arányok szakaszában zajlik és milliárd évet ölel fel. A kozmológia egyik legnehezebb megoldatlan rejtvénye továbbra is az, hogy a strukturált és dinamikus galaxisok sokszínűsége ma megfigyelhető volt a Big Bang tüzes káoszából.
A válaszokat keresve egy nemzetközi tudósok készítették a világegyetem eddig részletesebb nagyszabású modelljét, egy szimulációt, amelyet TNG50-nek hívnak. Körülbelül 230 millió fényév széles virtuális univerzumukban több tízezer fejlődő galaxis található, amelyek részletességi szintje korábban csak az egy galaxis modelljeiben volt látható. A szimuláció több mint 20 milliárd részecskét nyomon követte a sötét anyagot, a gázokat, a csillagokat és a szupermasszív fekete lyukakat 13,8 milliárd éves időszak alatt.
A példátlan felbontás és méret lehetővé tette a kutatók számára, hogy betekintést nyerjen saját világegyetemünk múltjába, kiderítve, hogy a különféle furcsa alakú galaxisok miként alakították magukat létezésükre, és hogy csillagrobbanások és fekete lyukak kiváltották ezt a galaktikus evolúciót. Eredményeiket két cikkben közzéteszik, amelyeket a Királyi Csillagászat Társaság havi értesítései 2019. decemberi számában mutatnak be.
A TNG50 az IllustrisTNG Projekt által létrehozott legújabb szimuláció, amelynek célja egy teljes képet alkotni arról, hogyan fejlődött világegyetemünk a Nagyrobbanás óta egy nagyszabású világegyetem előállításával anélkül, hogy az egyes galaxisok apró részleteit feláldoznánk.
"Ezek a szimulációk hatalmas adatkészletek, amelyekből egy tonnát megtanulhatunk azáltal, hogy felbontjuk és megértjük a galaxisok kialakulását és fejlődését" - mondta Paul Torrey, a floridai egyetem fizikai docens és a tanulmány társszerzője. "A TNG50-ben alapvetően újdonság az, hogy egy elég nagy tömegű és térbeli felbontáshoz jutsz a galaxisokban, amely egyértelmű képet ad arról, hogy a rendszerek belső szerkezete miként alakul ki és fejlődik."
A modellnek a részletekre való figyelme bizonyos költségekkel jár. A szimulációhoz 16 000 processzormag szükséges a Hazel Hen szuperszámítógéphez, a németországi Stuttgartba, több mint egy éve folyamatosan futva. Ugyanez a számítás egyetlen processzorrendszer kiszámításához 15 000 évet igényel. Annak ellenére, hogy a történelem egyik számítástechnikai szempontból nehéz asztrofizikai szimulációja volt, a kutatók szerint befektetésük megtérül.
"Az ilyen típusú numerikus kísérletek különösen akkor sikeresek, ha többet érnek el, mint amennyit beteszek" - mondta Dylan Nelson, a németországi müncheni Max Planck Asztrofizikai Intézet posztdoktori tagja és a tanulmány társszerzője. . "Szimulációnkban olyan jelenségeket látunk, melyeket kifejezetten nem programoztak be a szimulációs kódba. Ezek a jelenségek természetes módon lépnek fel, a modell-univerzum alapvető fizikai összetevőinek összetett kölcsönhatásából fakadóan."
Ez a kialakuló jelenség elengedhetetlen ahhoz, hogy megértsük, miért jelenik meg világegyetemünk olyan formájában, mint ma a 13,8 milliárd évvel a nagy robbanás után. A TNG50 lehetővé tette a kutatók számára, hogy előre láthassák, hogyan alakulhattak ki a galaxisok a turbulens gázfelhőkből, közvetlenül a világegyetem megszületése után. Felfedezték, hogy a kozmikus szomszédságunkhoz hasonló korong alakú galaxisok természetesen a szimulációjuk során jöttek létre, és belső struktúrákat hoztak létre, ideértve a spirálkarokat, a duzzanatot és a rúdakat, amelyek a központi szupermasszív fekete lyukaikból nyúlnak ki. Amikor összehasonlították számítógépük által generált univerzumot a valós megfigyelésekkel, úgy találták, hogy a galaxisok populációja minőségileg összhangban van a valósággal.
Ahogy galaxisuk folyamatosan laposan rendezett, forgó lemezekké alakult, újabb jelenség kezdett megjelenni. A szupernóva robbanások és a szupermasszív fekete lyukak az egyes galaxisok szívében nagy sebességű gázkiáramlást okoztak. Ezek a kiáramlások egy olyan gázszökőkútba morfolódtak, amelyek fényévek ezreiben emelkednek fel egy galaxis felett. A gravitációs vontató végül ennek a gáznak a nagy részét visszajuttatta a galaxis korongjába, újraelosztva a külső széle felé, és létrehozva egy visszacsatoló hurkot a gáz kiáramlásához és beáramlásához. Az új csillagok kialakításához szükséges összetevők újrahasznosítása mellett azt is kimutatták, hogy a kiáramlások megváltoztatják galaxisuk szerkezetét. Az újrahasznosított gázok felgyorsították a galaxisok vékony forgó tárcsákká történő átalakulását.
E kezdeti megállapítások ellenére a csapat messze még nem fejezte be modellezésüket. Azt is tervezik, hogy az összes szimulációs adatot nyilvánosan elérhetővé tegyék a csillagászok számára szerte a világon, hogy tanulmányozzák virtuális kozmoszukat.
"Hatalmas út áll előttünk, amikor készen állunk ezekre a szimulációkra" - mondta Torrey. "A kutatók egész csoportja dolgozik annak érdekében, hogy jobban megértse a kialakuló galaxisok részletes tulajdonságait és az ezekben az adatokban megjelenő tendenciákat."
