1900-luvun puolivälistä lähtien tiedemiehillä on ollut melko hyvä käsitys siitä, miten maailmankaikkeus syntyi. Kosminen laajeneminen ja sen löytäminen Kosminen mikroaaltouunin tausta (CMB) antoi uskottavuutta Big Bang teoria , ja kiihtyvä laajenemisnopeus johti teorioihin Pimeä Energia . Varhaisesta maailmankaikkeudesta on kuitenkin paljon sellaista, mitä tiedemiehet eivät vielä tiedä, mikä edellyttää, että he luottavat kosmisen evoluution simulaatioihin.
Tämä on perinteisesti aiheuttanut pienen ongelman, koska laskennan rajoitukset tarkoittivat, että simulointi saattoi olla joko laajamittaista tai yksityiskohtaista, mutta ei molempia. Kuitenkin ryhmä tutkijoita Saksasta ja Yhdysvalloista valmistui äskettäin yksityiskohtaisin laajamittainen simulaatio tähän mennessä. Tunnetaan TNG50 Tämän huippuluokan simulaation avulla tutkijat voivat tutkia kuinka kosmos kehittyi sekä yksityiskohtaisesti että suuressa mittakaavassa.
TNG50 on IllustrisTNG:n tuottama uusin simulaatio, joka on meneillään oleva projekti, joka on omistettu suurten, kosmologisten galaksien muodostumisen simulaatioiden luomiseen. Se on uraauurtava siinä mielessä, että se välttää perinteiset kompromissit, joiden kanssa tähtitieteilijät joutuvat kamppailemaan. Lyhyesti sanottuna yksityiskohtaiset simulaatiot kärsivät menneisyydessä vähäisestä volyymista, mikä vaikeutti tilastollisia päätelmiä laajamittaisesta kosmisesta evoluutiosta.
Suuren volyymin simulaatioista sen sijaan perinteisesti puuttuu yksityiskohtia monien maailmankaikkeuden pienimuotoisten ominaisuuksien toistamiseksi, mikä tekee niiden ennusteista vähemmän luotettavia. TNG50 on ensimmäinen simulaatio laatuaan, koska se onnistuu yhdistämään ajatuksen laajamittaisista simulaatioista - 'Universe in a box' -konsepti - sellaiseen resoluutioon, joka aiemmin oli mahdollista vain galaksisimulaatioilla.
Tämän teki mahdolliseksi Stuttgartissa sijaitseva Hazel Hen -supertietokone, jossa 16 000 ydintä työskenteli yhdessä yli vuoden ajan – pisin ja resurssiintensiivisin simulaatio tähän mennessä. Simulaatio itsessään koostuu halkaisijaltaan yli 230 miljoonan valovuoden avaruuskuutiosta, joka sisältää yli 20 miljardia hiukkasta, jotka edustavat pimeää ainetta, tähtiä, kosmista kaasua, magneettikenttiä ja supermassiivisia mustia aukkoja (SMBH).
TNG50 pystyy myös havaitsemaan fysikaalisia ilmiöitä, joita esiintyy mittakaavassa miljoonasosaan kokonaistilavuudesta (eli 230 valovuoteen). Tämä mahdollistaa simulaation jäljittää tuhansien galaksien samanaikaisen kehityksen 13,8 miljardin vuoden kosmisen historian aikana. Niiden simulaation tulokset julkaistiin kahdessa julkaisussa, jotka ilmestyivät äskettäin lehdessä Royal Astronomical Societyn kuukausitiedotteet .
Molempia tutkimuksia johti tri Annalisa Pillepich Max Planckin tähtitieteen instituutti ja tohtori Dylan Nelson Max Planckin astrofysiikan instituutti . Kuten Dylan selitti RAS:n lehdistötiedotteessa:
”Tällaiset numeeriset kokeet onnistuvat erityisen hyvin, kun saa enemmän ulos kuin laitat sisään. Simulaatiossamme näemme ilmiöitä, joita ei ole ohjelmoitu erikseen simulaatiokoodiin. Nämä ilmiöt syntyvät luonnollisella tavalla malliuniversumimme fyysisten perusainesosien monimutkaisesta vuorovaikutuksesta.
Tämä kuva esittää universumin evoluutiota vasemmalla olevasta alkuräjähdyksestä oikeaan nykyaikaan. Kuva: NASA
Lisäksi TNG50 on ensimmäinen laatuaan simulaatio kahdelle nousevalle ilmiölle, joilla on keskeinen rooli galaksien kehityksessä. Ensinnäkin tutkimusryhmä huomasi, että kun he katsoivat ajassa taaksepäin, järjestelmälliset, nopeasti pyörivät kiekkogalaksit (kuten Linnunrata) syntyivät alun perin kaoottisista kaasupilvistä.
Kun tämä kaasu laskeutui, vastasyntyneet tähdet omaksuivat yhä ympyränmuotoisemman kiertoradan ja lopulta väistyivät suurille spiraaligalakseille. Kuten tohtori Annalisa Pillepich selitti :
'Käytännössä TNG50 osoittaa, että oma Linnunrata-galaksimme ohuine kiekkoineen on galaksimuodin huipulla: viimeisen 10 miljardin vuoden aikana ainakin ne galaksit, jotka muodostavat vielä uusia tähtiä, ovat muuttuneet yhä kiekkomomaisemmiksi, ja niiden kaoottiset sisäiset liikkeet ovat vähentyneet huomattavasti. Universumi oli paljon sekavampi, kun se oli vain muutaman miljardin vuoden ikäinen!
Toinen esiin nouseva ilmiö ilmestyi, kun galaksit tasoittuivat simulaatiossa, jossa nopeita kaasutuulia nähtiin virtaavan ulos galakseista. Tämä johtui supernovaräjähdyksistä ja SMBH:iden aktiivisuudesta simuloitujen galaksien sydämessä. Jälleen kerran, prosessi oli alun perin kaoottinen ja kaasu virtasi ulos kaikkiin suuntiin, mutta lopulta keskittyi vähiten vastustavalla polulla.
Uudet tutkimukset viittaavat siihen, että pimeää ainetta voi esiintyä koko maailmankaikkeudessamme jakautuneina kokkareina. Luotto: Max-Planck Institute for Astrophysics
Nykyiseen kosmologiseen aikakauteen mennessä nämä virrat muuttuvat kartiomaisiksi ja ne virtaavat galaksin vastakkaisista päistä materiaalin hidastuessa poistuessaan galaksin pimeän aineen halon näkymättömästä gravitaatiokuopasta. Lopulta tämä materiaali lakkaa virtaamasta ulospäin ja alkaa pudota takaisin sisään, jolloin siitä tulee tehokkaasti kierrätetyn kaasun galaktinen suihkulähde.
Toisin sanoen tämä simulaatio on myös ensimmäinen laatuaan, joka osoittaa, kuinka galaksien ympärillä kulkevien kosmisten kaasujen geometria määrittää niiden rakenteet (ja päinvastoin). Tohtori Pillepich ja tohtori Nelson palkittiin työstään 2019 Golden Spike -palkinto , jonka on myöntänyt kansainvälisen tutkimusyhteisön jäsenille Tehokas tietokonekeskus Stuttgartissa, Saksassa.
Dr. Pillepich ja tohtori Nelson ja heidän kollegansa suunnittelevat myös julkaisemaan lopulta kaikki TNG50-simulaatiotiedot tähtitieteelliselle yhteisölle ja yleisölle. Näin tähtitieteilijät ja kansalaistutkijat voivat tehdä simulaatiosta omia löytöjä, jotka voivat sisältää lisää esimerkkejä esiin nousevista kosmisista ilmiöistä tai kestävien kosmisten mysteereiden ratkaisuista.
Lisälukemista: Royal Astronomical Society , MNRAS , MNRAS (2)