A 20. század közepe óta a tudósok nagyon jó ötlettel rendelkeznek arról, hogy miként jött létre az univerzum. A kozmikus terjeszkedés és a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) felfedezése hitelességet adott a Big Bang Theory-nak, és a növekvő gyorsuló sebesség elméletekhez vezetett a sötét energiáról. Ennek ellenére sok a korai világegyetemről, amelyet a tudósok még nem tudnak, ami megköveteli, hogy támaszkodjanak a kozmikus evolúció szimulációira.
Ez hagyományosan egy kis problémát jelentett, mivel a számítás korlátozása azt jelentette, hogy a szimuláció lehet nagy léptékű vagy részletes, de nem mindkettő. A német és az amerikai tudósok egy csoportja azonban nemrégiben készítette el a mai napig a leg részletesebb nagyszabású szimulációt. TNG50 néven ismert, ez a legmodernebb szimuláció lehetővé teszi a kutatók számára, hogy megvizsgálják, hogy a kozmosz miként alakul ki részletben és nagy léptékben.
A TNG50 az IllustrisTNG által kidolgozott legújabb szimuláció, egy folyamatban lévő projekt, amely a galaxisok kialakulásának nagy, kozmológiai szimulációinak elkészítését célozza. Úttörő abban az értelemben, hogy elkerüli a hagyományos kompromisszumos csillagászok kénytelen harcolni. Röviden: a részletes szimulációk a múltban alacsony volumenű szenvedtek, ami megnehezítette a nagy léptékű kozmikus evolúció statisztikai levonásait.
A nagy volumenű szimulációk, másrészt, hagyományosan hiányzik a részletekből ahhoz, hogy reprodukálják az univerzum kis méretű tulajdonságait, ami előrejelzéseik kevésbé megbízhatóak. A TNG50 az első ilyen típusú szimuláció, mivel képes a nagyszabású szimulációk - az „Univerzum a dobozban” koncepció ötvözésére - olyan felbontással, amely korábban csak a galaxis szimulációkkal volt lehetséges.
Ezt lehetővé tette a stuttgarti Hazel Hen szuperszámítógép, ahol 16 000 mag működött együtt egy éven keresztül - ez a leghosszabb és a legtöbb erőforrás-igényes szimuláció. Maga a szimuláció egy több mint 230 millió fényév átmérőjű térkockából áll, amely több mint 20 milliárd részecskét tartalmaz a sötét anyagot, a csillagokat, a kozmikus gázt, a mágneses tereket és a szupermasszív fekete lyukakat (SMBH).
A TNG50 felismerheti azokat a fizikai jelenségeket is, amelyek a skálán a teljes térfogat egymilliójára (azaz 230 fényévig) fordulnak elő. Ez lehetővé teszi a szimulációnak, hogy nyomon kövesse a galaxisok ezreinek egyidejű fejlődését a kozmikus történelem 13,8 milliárd éve alatt. Szimulációik eredményeit két újságban tették közzé, amelyek nemrégiben megjelentek a folyóiratban A Királyi Csillagászati Társaság havi értesítései.
Mindkét vizsgálatot Dr. Annalisa Pillepich a Max Planck Csillagászati Intézetből és Dr. Dylan Nelson vezette a Max Planck Asztrofizikai Intézetből. Amint Dylan egy RAS sajtóközleményben kifejtette:
„Az ilyen típusú numerikus kísérletek különösen akkor sikeresek, ha többet ér el, mint amennyit beillesztett. Szimulációnkban olyan jelenségeket látunk, amelyeket nem kifejezetten programoztak be a szimulációs kódba. Ezek a jelenségek természetes módon merülnek fel, a modell-univerzum alapvető fizikai összetevőinek összetett kölcsönhatásából fakadóan. ”
Ezenkívül a TNG50 az első ilyen jellegű szimulációja két felmerülő jelenségnek, amelyek kulcsszerepet játszanak a galaxisok fejlődésében. Először a kutatócsoport észrevette, hogy ahogy időben visszatekintnek, a rendezett, gyorsan forgó tárcsa galaxisok (mint például a Tejút) a kezdetben kaotikus gázfelhőkből jöttek létre.
Amint ez a gáz elrendeződött, az újszülött csillagok egyre kevesebb körkörös pályán léptek fel, végül helyet adva a nagy spirális galaxisoknak. Ahogy Dr. Annalisa Pillepich kifejtette:
„A gyakorlatban a TNG50 megmutatja, hogy saját Tejút-galaxisunk vékony lemezzel a galaxisok divatjának csúcsán van: az elmúlt 10 milliárd évben legalább azok a galaxisok, amelyek még mindig új csillagokat képeznek, egyre inkább lemezszerűek, és kaotikus belső mozgásuk jelentősen csökkent. Az univerzum sokkal rendezetlenebb volt, amikor csak néhány milliárd éves volt! ”
A második kialakuló jelenség akkor jelentkezett, amikor a galaxisok simulnak a szimulációban, ahol a nagysebességű gázszeleket láttak áramlani a galaxisokból. Ezt a szupernóva robbanások és az SMBH-k aktivitása vezette a szimulált galaxisok középpontjában. Ismét a folyamat kezdetben kaotikus volt, amikor a gáz minden irányba kifolyott, ám végül fokozottan koncentrálódott a legkevesebb ellenállás útján.
A jelenlegi kozmológiai korszakban ezek az áramlások kúp alakúvá válnak és a galaxis ellentétes végéből folynak, és az anyag lelassul, mivel elhagyja a galaxis sötét anyagának láthatatlan gravitációs kútját. Végül ez az anyag abbahagyja a kifelé áramlást, és visszaesni kezd, és ténylegesen újrahasznosított gáz galaktikus forrásává válik.
Más szóval, ez a szimuláció az első a maga nemében, amely megmutatja, hogy a kozmikus gáz geometriája hogyan áramlik a galaxisok körül (és fordítva). Munkájáért Dr. Pillepich és Dr. Nelson elnyerte a 2019. évi Arany Spike-díjat, amelyet a nemzetközi kutatóközösség tagjai adnak ki a németországi Stuttgarti Nagyteljesítményű Számítógépes Központban.
Dr. Nelson és munkatársaik azt is előkészítik, hogy végül minden TNG50 szimulációs adatot átadjanak a csillagászati közösségnek és a nyilvánosságnak. Ez lehetővé teszi a csillagászok és állampolgárságú tudósok számára, hogy a szimulációból saját felfedezéseket készítsenek, amelyek további példákat tartalmazhatnak a felmerülő kozmikus jelenségekre vagy a tartós kozmikus misztériumok feloldására.
