Formiranje galaksija složen je ples između materije i energije, odvija se na pozornici kozmičkih razmjera i proteže se milijardama godina. Kako je raznolikost strukturiranih i dinamičnih galaksija koje danas promatramo nastala iz vatrenog kaosa Velikog praska, ostaje jedna od najtežih neriješenih zagonetki kozmologije.
U potrazi za odgovorima, međunarodni tim znanstvenika stvorio je do sada detaljniji model svemira velikih razmjera, simulaciju koju nazivaju TNG50. Njihov virtualni svemir, širok oko 230 milijuna svjetlosnih godina, sadrži desetine tisuća razvijajućih galaksija s razinama detalja koje su prethodno viđene samo u modelima s jednom galaksijom. Simulacija je pratila više od 20 milijardi čestica koje predstavljaju tamnu materiju, gasove, zvijezde i supermasivne crne rupe u razdoblju od 13,8 milijardi godina.
Neviđena razlučivost i razmjeri omogućili su istraživačima prikupljanje ključnih uvida u prošlost našeg svemira, otkrivajući kako su se razne čudno oblikovane galaksije pretopile u biće i kako su zvijezdane eksplozije i crne rupe pokrenule ovu galaktičku evoluciju. Njihovi rezultati objavljeni su u dva članka koja će biti predstavljena u broju za mjesečnik za prosinac 2019. godine Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
TNG50 je najnovija simulacija stvorena projektom IllustrisTNG, koji ima za cilj stvoriti cjelovitu sliku razvoja našeg svemira od Velikog praska stvaranjem svemira velikih razmjera, bez žrtvovanja sitnih detalja pojedinih galaksija.
"Ove su simulacije ogromne skupove podataka gdje možemo naučiti tonu disekcijom i razumijevanjem formiranja i evolucije galaksija unutar njih", rekao je Paul Torrey, izvanredni profesor fizike na Sveučilištu Florida i koautor studije. "Ono što je u osnovi TNG50 bitno novo, jest da se nalazite na dovoljno visokoj masi i prostornoj rezoluciji unutar galaksija koje vam daju jasnu sliku o tome kako izgleda unutarnja struktura sustava kako se formiraju i razvijaju."
Pozornost modela na detalje dolazi po malo cijene. Simulacija je zahtijevala 16.000 procesorskih jezgara superračunala Hazel Hen u Stuttgartu u Njemačkoj i radi neprekidno više od godinu dana. Isti proračun trebao bi izračunati jedan procesorski sustav 15 000 godina. Iako su jedna od najvažnijih računalno najtežih astrofizičkih simulacija u povijesti, istraživači vjeruju da im se ulaganje isplatilo.
"Ovakvi numerički eksperimenti osobito su uspješni kada izvučete više nego što uložite", izjavio je u izjavi Dylan Nelson, postdoktorski suradnik Instituta Max Planck za astrofiziku u Münchenu, Njemačka, i koautor studije. , "U našoj simulaciji vidimo pojave koji nisu eksplicitno programirani u simulacijski kod. Ti fenomeni proizlaze na prirodan način, iz složene interakcije osnovnih fizikalnih sastojaka našeg svemira modela."
Taj bi novi fenomen mogao biti od ključne važnosti za razumijevanje zašto se naš svemir pojavljuje takav kakav je danas 13,8 milijardi godina nakon Velikog praska. TNG50 omogućio je istraživačima iz prve ruke da vide kako se galaksije mogu pojaviti iz turbulentnih oblaka plina prisutnih ubrzo nakon što se svemir rodio. Otkrili su da su se galaksije u obliku diska, zajedničke našem kozmičkom susjedstvu, prirodno pojavile unutar njihove simulacije i proizvele unutarnje strukture, uključujući spiralne krakove, ispupčenja i šipke koje se protežu od njihovih središnjih, supermasivnih crnih rupa. Kad su usporedili svoj računalno generirani svemir s promatranjima iz stvarnog života, otkrili su da je njihova populacija galaksija kvalitativno u skladu s stvarnošću.
Kako su se njihove galaksije nastavile slagati u dobro uređene rotirajuće diskove, počeo se pojavljivati još jedan fenomen. Eksplozije supernove i supermasivne crne rupe u srcu svake galaksije stvorile su velike brzine odljeva plina. Ti se odljevi slivaju u fontane plina koje se dižu tisućama svjetlosnih godina iznad galaksije. Težina gravitacije na kraju je donijela velik dio tog plina natrag u disk galaksije, preraspodijelivši ga na njegov vanjski rub i stvorivši povratnu petlju odljeva i dotoka plina. Osim što su reciklirali sastojke za formiranje novih zvijezda, pokazalo se i da odljevi mijenjaju strukturu njihove galaksije. Reciklirani plinovi ubrzali su transformaciju galaksija u tanke rotirajuće diskove.
Unatoč ovim početnim nalazima, tim još nije završio seciranje svog modela. Oni također planiraju javno objaviti sve podatke simulacije za astronome širom svijeta da prouče svoj virtualni kozmos.
"Pred nama je ogromna cesta kad smo dovršili ove simulacije", rekao je Torrey. "Čitav tim istraživača radi na boljem razumijevanju detaljnih svojstava galaksija koje se formiraju i onoga što se pojavljuje u tim podacima."
