Sedan mitten av 1900-talet har forskare haft en ganska bra uppfattning om hur universum blev. Kosmisk expansion och upptäckten av den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden (CMB) gav trovärdighet till Big Bang Theory, och den snabbare expansionshastigheten ledde till teorier om Dark Energy. Det finns fortfarande mycket om det tidiga universum som forskare fortfarande inte känner till, vilket kräver att de litar på simuleringar av kosmisk evolution.
Detta har traditionellt skapat lite problem eftersom datorns begränsningar innebar att simulering antingen kan vara storskalig eller detaljerad, men inte båda. Men ett team av forskare från Tyskland och USA genomförde nyligen den mest detaljerade storskaliga simuleringen hittills. Denna toppmoderna simulering, känd som TNG50, gör det möjligt för forskare att studera hur kosmos utvecklades både i detalj och i stor skala.
TNG50 är den senaste simuleringen producerad av IllustrisTNG, ett pågående projekt som syftar till att skapa stora, kosmologiska simuleringar av galaxbildning. Det är banbrytande eftersom det undviker att de traditionella avvägningsastronomerna tvingas strida med. Kort sagt, detaljerade simuleringar lidit av låg volym tidigare, vilket gjorde statistiska avdrag för storskalig kosmisk utveckling svårt.
Simuleringar i stor volym å andra sidan saknar traditionellt detaljerna för att reproducera många småskaliga egenskaper som universum, vilket gör deras förutsägelser mindre pålitliga. TNG50 är den första simuleringen i sitt slag genom att den lyckas kombinera idén om storskalig simulering - konceptet “Universe in a box” - med den typ av upplösning som tidigare bara var möjlig med galaxsimuleringar.
Detta möjliggjordes av superdatorn Hazel Hen i Stuttgart, där 16 000 kärnor arbetade tillsammans i mer än ett år - den längsta och mest resurskrävande simuleringen hittills. Själva simuleringen består av en kub med rymden som mäter mer än 230 miljoner ljusår i diameter som innehåller mer än 20 miljarder partiklar som representerar mörk materia, stjärnor, kosmisk gas, magnetfält och supermassiva svarta hål (SMBH).
TNG50 kan också urskilja fysiska fenomen som uppstår på skalor ner till en miljondel av den totala volymen (dvs. 230 ljusår). Detta gör att simuleringen kan spåra den samtidigt utvecklingen av tusentals galaxer under 13,8 miljarder år av kosmisk historia. Resultaten av deras simulering publicerades i två artiklar som nyligen dök upp i tidskriften Månadsmeddelanden från Royal Astronomical Society.
Båda studierna leddes av Dr. Annalisa Pillepich från Max Planck Institute for Astronomy och Dr. Dylan Nelson från Max Planck Institute for Astrophysics. Som Dylan förklarade i ett RAS-pressmeddelande:
”Numeriska experiment av detta slag är särskilt framgångsrika när man går ut mer än man lägger in. I vår simulering ser vi fenomen som inte har programmerats uttryckligen i simuleringskoden. Dessa fenomen dyker upp på ett naturligt sätt från det komplexa samspelet mellan de grundläggande fysiska ingredienserna i vårt modellunivers. "
Dessutom är TNG50 den första simuleringen i sitt slag till två framväxande fenomen som spelar en nyckelroll i galaxernas utveckling. Först märkte forskargruppen att när de tittade tillbaka i tiden, uppstod de ordnade, snabbt roterande skivgalaxer (som Vintergatan) från ursprungligen kaotiska gasmoln.
När gasen satte sig, antog nyfödda stjärnor allt mer cirkulära banor, vilket så småningom lämnade plats för stora spiralgalaxier. Som Dr. Annalisa Pillepich förklarade:
”I praktiken visar TNG50 att vår egen Vintergalax med sin tunna skiva är på höjden av galaxmode: under de senaste 10 miljarder åren har åtminstone de galaxer som fortfarande bildar nya stjärnor blivit mer och mer skivliknande, och deras kaotiska inre rörelser har minskat avsevärt. Universum var mycket rörigare när det bara var några miljarder år gammalt! ”
Det andra framväxande fenomenet verkade när galaxerna plattade ut i simuleringen, där höghastighetsvindvind sågs strömma ut från galaxerna. Detta drevs av supernovaexplosioner och aktivitet från SMBHs i hjärtat av de simulerade galaxerna. Återigen var processen ursprungligen kaotisk med gas som strömmade ut i alla riktningar, men blev så småningom mer fokuserad längs en väg med minst motstånd.
Vid den nuvarande kosmologiska epoken blir dessa flöden konformade och flyter från de motsatta ändarna av galaxen, med materialet bromsar när det lämnar den osynliga tyngdkraften i galaxens mörka materiehalo. Så småningom slutar detta material att strömma utåt och börjar falla tillbaka in och blir i själva verket en galaktisk fontän av återvunnen gas.
Med andra ord, denna simulering är också den första i sitt slag som visar hur geometrin för kosmisk gas flyter runt galaxer bestämmer deras strukturer (och vice versa). För sitt arbete tilldelades Dr. Pillepich och Dr. Nelson 2019 Golden Spike-priset, som delas ut till medlemmar i det internationella forskningssamhället av High-Performance Computer Center i Stuttgart, Tyskland.
Dr. Nelson och deras kollegor planterar också så småningom att släppa alla TNG50-simuleringsdata till det astronomiska samhället och för allmänheten. Detta kommer att göra det möjligt för astronomer och medborgare att göra sina egna upptäckter från simuleringen, vilket kan innehålla ytterligare exempel på framväxande kosmiska fenomen eller resolutioner om varaktiga kosmiska mysterier.
