Bildandet av galaxer är en komplex dans mellan materie och energi, som förekommer på en scen med kosmiska proportioner och spänner över miljarder år. Hur mångfalden av strukturerade och dynamiska galaxer som vi observerar idag uppstod från Big Bangs eldiga kaos förblir ett av de svåraste olösta pussel i kosmologin.
På jakt efter svar har ett internationellt team av forskare skapat den mest detaljerade storskaliga modellen av universum hittills, en simulering som de kallar TNG50. Deras virtuella universum, ungefär 230 miljoner ljusår, innehåller tiotusentals galaxier under utveckling med detaljeringsnivåer som tidigare bara har sett i modeller med en galax. Simuleringen spårade mer än 20 miljarder partiklar som representerar mörk materia, gaser, stjärnor och supermassiva svarta hål under en period på 13,8 miljarder år.
Den oöverträffade upplösningen och skalan gjorde det möjligt för forskarna att samla nyckelinsikter i vårt eget universums förflutna och avslöjade hur olika konstigt formade galaxer förändrade sig till att bli och hur stjärnexplosioner och svarta hål utlöste denna galaktiska utveckling. Deras resultat publiceras i två artiklar som kommer att presenteras i december 2019-utgåvan av tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
TNG50 är den senaste simuleringen skapad av IllustrisTNG-projektet, som syftar till att bygga en fullständig bild av hur vårt universum utvecklades sedan Big Bang genom att producera ett storskaligt universum utan att offra de fina detaljerna i enskilda galaxer.
"Dessa simuleringar är enorma datasätt där vi kan lära oss massor genom att dissekera och förstå bildandet och utvecklingen av galaxer inom dem," sa Paul Torrey, docent i fysik vid University of Florida och medförfattare till studien. "Det som i grund och botten är nytt med TNG50 är att du får en tillräckligt hög massa och rumslig upplösning inom galaxerna som ger dig en tydlig bild av hur systemets inre struktur ser ut när de bildas och utvecklas."
Modellens uppmärksamhet på detaljer kommer till en viss kostnad. Simuleringen krävde 16 000 processorkärnor från Hazel Hen-superdatorn i Stuttgart, Tyskland, som körs kontinuerligt i mer än ett år. Samma beräkning skulle ta ett enda processorsystem 15 000 år att beräkna. Trots att de är en av de mest beräknande tunga astrofysiska simuleringarna i historien, tror forskarna att deras investering har lönat sig.
"Numeriska experiment av detta slag är särskilt framgångsrika när du får ut mer än du lägger in," sade Dylan Nelson, en postdoktor vid Max Planck Institute for Astrophysics i München, Tyskland och medförfattare till studien, i ett uttalande . "I vår simulering ser vi fenomen som inte hade programmerats uttryckligen i simuleringskoden. Dessa fenomen kommer på ett naturligt sätt, från det komplexa samspelet mellan de grundläggande fysiska ingredienserna i vårt modellunivers."
Det framväxande fenomenet kan vara viktigt för att förstå varför vårt universum verkar som det är idag 13,8 miljarder år efter Big Bang. TNG50 gjorde det möjligt för forskare att först se hur galaxer kan ha uppstått från de turbulenta gasmolnen som var närvarande kort efter att universum föddes. De upptäckte att de skivformade galaxerna som är gemensamma för vår kosmiska stadsdel naturligt framkom inom deras simulering och producerade inre strukturer, inklusive spiralarmar, utbuktningar och stänger som sträckte sig från deras centrala supermassiva svarta hål. När de jämförde sitt datorgenererade universum med observationer i verkligheten, fann de att deras befolkning av galaxer var kvalitativt förenliga med verkligheten.
När deras galaxer fortsatte att plattas till välordnade roterande skivor började ett annat fenomen dyka upp. Supernova-explosioner och supermassiva svarta hål i hjärtat av varje galax skapade höghastighetsgasflöden. Dessa utflöden förvandlades till gasbrunnar som stigit tusentals ljusår över en galax. Tyngdekraften tog så småningom tillbaka mycket av denna gas till galaxens skiva, och återfördelade den till dess ytterkant och skapade en återkopplingsslinga för gasutflöde och inflöde. Förutom att återanvända ingredienserna för att bilda nya stjärnor, visades utflödena också förändra deras galaxstruktur. De återvunna gaserna påskyndade omvandlingen av galaxer till tunna roterande skivor.
Trots dessa inledande resultat är teamet långt ifrån färdig att dissekera sin modell. De planerar också att släppa alla simuleringsdata offentligt för astronomer över hela världen för att studera deras virtuella kosmos.
"Det finns en enorm väg framför oss nu när vi har genomfört dessa simuleringar," sa Torrey. "Ett helt team av forskare arbetar för att bättre förstå de detaljerade egenskaperna för galaxerna som bildas och vilka framväxande trender som dyker upp i dessa data."
