De första resultaten från IllustrisTNG-projektet har publicerats i tre separata studier, och de kastar nytt ljus på hur svarta hål formar kosmos och hur galaxer formas och växer. IllustrisTNG-projektet fakturerar sig själv som "Nästa generation av kosmologiska hydrodynamiska simuleringar." Projektet är en pågående serie massiva hydrodynamiska simuleringar av vårt universum. Dess mål är att förstå de fysiska processerna som driver bildningen av galaxer.
I hjärtat av IllustriousTNG är en modern modern numerisk modell av universum som körs på en av de mest kraftfulla superdatorerna i världen: Hazel Hen-maskinen vid High-Performance Computing Center i Stuttgart, Tyskland. Hazel Hen är Tysklands snabbaste dator och den 19: e snabbaste i världen.
Vår nuvarande kosmologiska modell antyder att universumets massenergitäthet domineras av mörk materia och mörk energi. Eftersom vi inte kan observera någon av dessa saker, är det enda sättet att testa den här modellen att kunna göra exakta förutsägelser om strukturen för de saker vi kan se, till exempel stjärnor, diffus gas och tillträda svarta hål. Dessa synliga saker är organiserade i en kosmisk webb av ark, filament och tomrum. Inuti dessa finns galaxer, som är de grundläggande enheterna i kosmisk struktur. För att testa våra idéer om galaktisk struktur måste vi göra detaljerade och realistiska simulerade galaxer och sedan jämföra dem med vad som är verkligt.
Astrofysiker i USA och Tyskland använde IllustrisTNG för att skapa sitt eget universum, som sedan kunde studeras i detalj. IllustrisTNG korrelerar mycket starkt med observationer av det verkliga universum, men tillåter forskare att titta på saker som är dolda i vårt eget universum. Detta har lett till några mycket intressanta resultat hittills och hjälper till att svara på några stora frågor inom kosmologi och astrofysik.
Ända sedan vi har lärt oss att galaxer är värd supermassiva svarta hål (SMBH) i sina centra, har det varit allmänt trott att de har ett stort inflytande på galaxernas utveckling och eventuellt på deras bildning. Det har lett till den uppenbara frågan: Hur påverkar dessa SMBH: er galaxerna som är värd för dem? Illustrerande TNG satte sig in på att svara på detta och uppsatsen av Dr. Dylan Nelson vid Max Planck Institute for Astrophysics visar att "den främsta drivkraften för galaxfärgövergången är supermassiv svarthålsåterkoppling i dess låga ackretionsläge."
"Den enda fysiska enhet som kan släcka stjärnbildningen i våra stora elliptiska galaxer är de supermassiva svarta hålen i deras centrum." - Dr. Dylan Nelson, Max Planck Institute for Astrophysics,
Galaxer som fortfarande befinner sig i sin stjärnbildande fas lyser starkt i det blå ljuset från deras unga stjärnor. Sedan förändras något och stjärnformationen slutar. Därefter domineras galaxen av äldre, röda stjärnor, och galaxen ansluter sig till en kyrkogård full av "röda och döda" galaxer. Som Nelson förklarar: "Den enda fysiska enhet som kan släcka stjärnbildningen i våra stora elliptiska galaxer är de supermassiva svarta hålen i deras centrum." Men hur gör de det?
Nelson och hans kollegor tillskriver det supermassiva svar på svart hål i dess låga ackretionsläge. Vad det betyder är att när ett svart hål matas, skapar det en vind eller en chockvåg, som blåser stjärnbildande gas och damm ur galaxen. Detta begränsar den framtida bildandet av stjärnor. De befintliga stjärnorna åldras och blir röda, och få nya blå stjärnor bildas.
Man har länge trott att stora galaxer bildas när mindre galaxer går ihop. När galaxen blir större drar sin gravitation fler mindre galaxer in i den. Under dessa kollisioner rivs galaxer isär. Vissa stjärnor kommer att vara spridda och kommer att bo i en gloria runt den nya, större galaxen. Detta skulle ge den nyligen skapade galaxen en svag bakgrundsljus av stjärnljus. Men detta är en förutsägelse, och dessa bleka glöd är mycket svåra att observera.
"Våra förutsägelser kan nu kontrolleras systematiskt av observatörer." - Dr. Annalisa Pillepich (Max Planck Institute for Astrophysics)
IllustrisTNG kunde förutsäga mer exakt hur denna glöd skulle se ut. Detta ger astronomer en bättre uppfattning om vad de ska leta efter när de försöker observera denna bleka stjärna glöd i det verkliga universum. "Våra förutsägelser kan nu kontrolleras systematiskt av observatörer," påpekar Dr. Annalisa Pillepich (MPIA), som ledde en ytterligare IllustrisTNG-studie. "Detta ger ett kritiskt test för den teoretiska modellen för hierarkisk galaxbildning."
IllustrisTNG är en pågående serie simuleringar. Hittills har det funnits tre IllustrisTNG-körningar, var och en skapar en större simulering än den tidigare. De är TNG 50, TNG 100 och TNG 300. TNG300 är mycket större än TNG50 och gör det möjligt att studera ett större område som avslöjar ledtrådar om storskalig struktur. Även om TNG50 är mycket mindre, har den mycket mer exakt detalj. Det ger oss en mer detaljerad titt på galaxernas strukturella egenskaper och den detaljerade strukturen för gas runt galaxer. TNG100 är någonstans i mitten.
IllustrisTNG är inte den första kosmologiska hydrodynamiska simuleringen. Andra inkluderar Eagle, Horizon-AGN och IllustrisTNGs föregångare, Illustris. De har visat hur kraftfulla dessa prediktiva teoretiska modeller kan vara. När våra datorer växer starkare och vår förståelse för fysik och kosmologi växer tillsammans med dem kommer dessa typer av simuleringar att ge större och mer detaljerade resultat.
