Od sredine 20. stoljeća, znanstvenici su imali prilično dobru predodžbu o tome kako je nastao Svemir. Kozmička ekspanzija i otkriće kozmičke mikrovalne pozadine (CMB) dali su vjerodostojnost teoriji Velikog praska, a ubrzana brzina širenja dovela je do teorija o Tamnoj energiji. Ipak, o ranom Svemiru postoji mnogo toga što znanstvenici još uvijek ne znaju, što zahtijeva da se oni oslanjaju na simulacije kozmičke evolucije.
To je tradicionalno predstavljalo problem jer su računalna ograničenja značila da simulacija može biti ili opsežna ili detaljna, ali ne i jedno i drugo. Međutim, tim znanstvenika iz Njemačke i Sjedinjenih Američkih Država nedavno je završio naj detaljniju simulaciju velikih razmjera do danas. Poznata kao TNG50, ova najmodernija simulacija omogućit će istraživačima da prouče kako se kosmos razvijao u detaljima i u velikim razmjerima.
TNG50 je najnovija simulacija proizvedena od IllustrisTNG, tekućeg projekta posvećenog stvaranju velikih, kosmoloških simulacija formiranja galaksija. Neopisivo je to što izbjegava tradicionalne kompromise astronomi s kojima su se prisiljeni boriti. Ukratko, detaljne simulacije pretrpjele su malo volumen u prošlosti, što je otežalo statističke zaključke o kozmičkoj evoluciji velikih razmjera.
S druge strane, simulacijama velikog volumena tradicionalno nedostaje detalj koji bi reproducirao mnoga svojstva malih dimenzija kao što su Svemir, što njihova predviđanja čini manje pouzdanima. TNG50 je prva takve vrste simulacija kojom uspijeva kombinirati ideju velikih simulacija - koncept „Univerzum u kutiji“ - s takvom razlučivošću koja je ranije bila moguća samo simulacijama galaksije.
To je omogućilo superračunalo Hazel Hen u Stuttgartu, gdje je 16.000 jezgara radilo zajedno više od godinu dana - najduža i najsnažnija simulacija do danas. Sama simulacija sastoji se od kocke prostora dimenzije više od 230 milijuna svjetlosnih godina koja sadrži više od 20 milijardi čestica koje predstavljaju tamnu tvar, zvijezde, kozmički plin, magnetska polja i supermasivne crne rupe (SMBH).
TNG50 također može razaznati fizičke pojave koje se javljaju na ljestvici sve do jedne milijunine ukupnog volumena (tj. 230 svjetlosnih godina). To omogućava simulaciji da se prati istodobna evolucija tisuća galaksija tijekom 13,8 milijardi godina kozmičke povijesti. Rezultati njihove simulacije objavljeni su u dva rada koja su se nedavno pojavila u časopisu Mjesečne obavijesti Kraljevskog astronomskog društva.
Obje studije vodili su dr. Annalisa Pillepich s Instituta za astronomiju Maxa Plancka i dr. Dylan Nelson s Instituta za astrofiziku Max Planck. Kao što je Dylan objasnio u RAS-ovom priopćenju:
"Ovakvi numerički eksperimenti osobito su uspješni kada izvučete više nego što ih ubacite. U našoj simulaciji vidimo pojave koje nisu eksplicitno programirane u simulacijski kod. Te pojave nastaju prirodnim putem, iz složene interakcije osnovnih fizikalnih sastojaka našeg svemira modela. "
Pored toga, TNG50 je prva ovakva simulacija dvaju pojavnih fenomena koji igraju ključnu ulogu u evoluciji galaksija. Prvo, istraživački tim primijetio je da su, kako se osvrnuli na vrijeme, iz uređenih kaotičnih plinova plinova nastale uredne, brzo rotirajuće disk-galaksije (poput Mliječnog puta).
Kako se taj plin naseljavao, novorođene zvijezde su usvajale sve kružnije orbite i na kraju ustupile mjesto velikim spiralnim galaksijama. Kako je objasnila dr. Annalisa Pillepich:
"U praksi, TNG50 pokazuje da je naša galaksija Mliječni put sa svojim tankim diskom na vrhuncu modnih galaksija: tijekom posljednjih 10 milijardi godina barem su one galaksije koje još formiraju nove zvijezde postale sve više nalik disku, a njihovi kaotični unutarnji pokreti znatno su se smanjili. Svemir je bio mnogo mesier kada je imao samo nekoliko milijardi godina! "
Drugi pojavni fenomen pojavio se dok su se galaksije izjednačile u simulaciji, gdje su viđeni brzi vjetrovi plina koji izviru iz galaksija. Ovo je potaknuto eksplozijama supernova i aktivnostima SMBH-a u srcu simuliranih galaksija. Još jednom, postupak je u početku bio haotičan, s istjecanjem plina u svim smjerovima, ali s vremenom se više fokusirao na putu najmanje otpora.
Do trenutne kozmološke epohe ti tokovi postaju stožastog oblika i teku s suprotnih krajeva galaksije, pri čemu se materijal usporava, ostavljajući nevidljivu gravitacijsku bušotinu halo tamne materije galaksije. Na kraju, ovaj materijal prestaje teći prema van i počinje padati natrag, efektivno postaje galaktička fontana recikliranog plina.
Drugim riječima, ova je simulacija također prva takve vrste koja pokazuje kako geometrija kozmičkog plina koji teče oko galaksija određuje njihove strukture (i obrnuto). Za svoj rad, dr. Pillepich i dr. Nelson nagrađeni su 2019. nagradom Zlatni šiljak, koju članovima međunarodne istraživačke zajednice dodjeljuje Visoki računalni centar visokog učinka u Stuttgartu u Njemačkoj.
Dr. Nelson i njihovi kolege također planiraju objaviti sve podatke o simulaciji TNG50 astronomskoj zajednici i javnosti. To će astronomima i građanima znanstvenicima omogućiti da iz simulacije naprave svoja vlastita otkrića, koja bi mogla uključivati dodatne primjere nastalih kozmičkih pojava ili rezolucija trajnih kozmičkih misterija.
