Galaktikate moodustumine on keeruline aine ja energia vaheline tants, mis toimub kosmiliste mõõtmetega laval ja hõlmab miljardeid aastaid. See, kuidas struktureeritud ja dünaamiliste galaktikate mitmekesisus, mida me täna vaatleme, tekkis Suure Paugu tulisest kaosest, on endiselt üks kosmoloogia kõige raskemaid lahendamata mõistatusi.
Vastuseid otsides on rahvusvaheline teadlaste meeskond loonud praeguse aja kõige üksikasjalikuma universumi suuremahulise mudeli - simulatsiooni, mida nad nimetavad TNG50-ks. Nende virtuaalne universum, mille laius on umbes 230 miljonit valgusaastat, sisaldab kümneid tuhandeid arenevaid galaktikaid, mille detailsust on varem nähtud ainult ühe galaktika mudelites. Simulatsioon jälgis 13,8 miljardi aasta jooksul enam kui 20 miljardit osakest, mis esindavad tumedat ainet, gaase, tähti ja ülimassiivseid mustaid auke.
Pretsedenditu lahutus ja ulatus võimaldasid teadlastel koguda peamisi teadmisi meie enda universumi minevikust, paljastades, kuidas mitmesugused veidra kujuga galaktikad endid moodustasid ja kuidas täheplahvatused ja mustad augud selle galaktika evolutsiooni käivitasid. Nende tulemused on avaldatud kahes artiklis, mida kajastatakse kuningliku astronoomiaühingu ajakirja Monthly Notices 2019. aasta detsembri numbris.
TNG50 on viimane IllustrisTNG projekti loodud simulatsioon, mille eesmärk on luua täielik pilt sellest, kuidas meie universum arenes pärast suurt pauku, luues suuremahulise universumi, ohverdamata seejuures üksikute galaktikate peeneid detaile.
"Need simulatsioonid on tohutud andmekogumid, kus saame tonni õppida, eraldades ja mõistdes galaktikate teket ja arengut neis," ütles Florida ülikooli füüsika dotsent ja uuringu kaasautor Paul Torrey. "Mis on TNG50-s põhimõtteliselt uus, on see, et jõuate galaktikates piisavalt suure massi ja ruumilise eraldusvõime juurde, mis annab teile selge pildi süsteemide sisemisest struktuurist nende moodustumisel ja arenedes."
Mudeli tähelepanu detailidele tuleb mõne hinnaga. Simulatsioon vajas Saksamaal Stuttgardis asuvat superarvuti Hazel Hen 16 000 protsessori südamikku, mis töötavad pidevalt enam kui aasta. Sama arvutuse jaoks kuluks ühe protsessori süsteemi arvutamiseks 15 000 aastat. Vaatamata sellele, et tegemist on ajaloo ühe arvutuslikult raskeima astrofüüsikalise simulatsiooniga, usuvad teadlased, et nende investeering on end ära tasunud.
"Seda laadi numbrilised katsed on eriti edukad, kui saate rohkem välja kui panite," ütles Dylan Nelson, Saksamaa Müncheni Max Plancki astrofüüsika instituudi järeldoktor ja uuringu kaasautor. . "Meie simulatsioonis näeme nähtusi, mida polnud otseselt simuleerimiskoodi sisse programmeeritud. Need nähtused tekivad loomulikul moel, meie mudeli universumi põhiliste füüsikaliste koostisosade keeruka vastastikuse mõju tõttu."
See tekkiv nähtus võib olla oluline mõistmaks, miks meie universum ilmub sellisena, nagu see on täna 13,8 miljardit aastat pärast Suurt Pauku. TNG50 võimaldas teadlastel vahetult pärast universumi sündi näha, kuidas galaktikad võisid tekkida turbulentsetest gaasipilvedest. Nad avastasid, et meie kosmilisele naabrusele ühised kettakujulised galaktikad tekkisid loomulikult nende simulatsiooni käigus ja tekitasid sisestruktuure, sealhulgas spiraalivarred, punnid ja kangid, mis ulatuvad nende keskmistest supermassiivsetest mustadest aukudest. Kui nad võrdlesid oma arvuti loodud universumit reaalse elu vaatlustega, leidsid nad, et nende galaktikate populatsioon oli kvalitatiivselt kooskõlas tegelikkusega.
Kuna nende galaktikad lagunesid jätkuvalt hästi järjestatud pöörlevateks ketasteks, hakkas ilmnema veel üks nähtus. Supernoova plahvatused ja ülitäpsed mustad augud iga galaktika keskmes tekitasid gaasi kiire väljavoolu. Need väljavoolud suunati gaasi purskkaevudesse, mis tõusevad tuhandete valgusaastate kaugusel galaktikast. Gravitatsioonipuksiir viis lõpuks suure osa sellest gaasist tagasi galaktika kettale, jaotades selle ümber selle välisserva ja luues tagasisidesüsteemi gaasi väljavoolu ja sissevoolu jaoks. Lisaks uute tähtede moodustamiseks vajalike koostisosade ringlussevõtule näitasid väljavoolud ka nende galaktika struktuuri muutmist. Ringlussevõetud gaasid kiirendasid galaktikate muutumist õhukesteks pöörlevateks ketasteks.
Vaatamata nendele esialgsetele leidudele pole meeskond veel kaugeltki lõpetanud oma mudeli jaotamist. Samuti plaanivad nad kogu simulatsiooni andmed avalikult avaldada, et kogu maailma astronoomid saaksid uurida nende virtuaalset kosmot.
"Nüüd, kui need simulatsioonid on lõpule jõudnud, on ees suur tee," sõnas Torrey. "Terve teadlaste meeskond töötab selle nimel, et saada paremini aru moodustavate galaktikate üksikasjalikest omadustest ja sellest, millised esilekerkivad suundumused nendes andmetes näitavad."
