Alates 20. sajandi keskpaigast on teadlastel olnud üsna hea ettekujutus sellest, kuidas universum tekkis. Kosmiline laienemine ja kosmilise mikrolaine fooni (CMB) avastamine andis Big Bang Theory'ile usaldusväärsuse ning kiirenev laienemiskiirus viis teooriateni Dark Energy kohta. Siiski on varajases universumis palju, mida teadlased veel ei tea, mis eeldab, et nad tuginevad kosmilise evolutsiooni simulatsioonidele.
See on traditsiooniliselt tekitanud natuke probleemi, kuna arvutamise piirangud tähendasid, et simulatsioon võib olla kas suuremahuline või detailne, kuid mitte mõlemad. Saksamaa ja USA teadlaste meeskond viis hiljuti siiski läbi täpseima suuremahulise simulatsiooni. Tuntud kui TNG50, võimaldab see nüüdisaegne simulatsioon uurijatel uurida, kuidas kosmos arenes nii detailselt kui ka suures mahus.
TNG50 on viimane simulatsioon, mille on tootnud IllustrisTNG - käimasolev projekt, mis on pühendatud galaktikate moodustumise suurte kosmoloogiliste simulatsioonide loomisele. See on murranguline, kuna sellega välditakse traditsiooniliste kompromisside tegemist, millega astronoomid on sunnitud võitlema. Lühidalt öeldes kannatasid detailsed simulatsioonid minevikus vähese mahu tõttu, mis tegi statistiliste järelduste tegemise suuremahulise kosmilise evolutsiooni kohta keeruliseks.
Teisest küljest puuduvad suuremahulistes simulatsioonides tavaliselt üksikasjad, mis võimaldavad reprodutseerida paljusid universumi väikesemahulisi omadusi, mis muudab nende ennustused vähem usaldusväärseteks. TNG50 on esimene omataoline simulatsioon, kuna tal õnnestub ühendada suuremahuliste simulatsioonide idee - universum kastis - sellise lahutusvõimega, mis varem oli võimalik ainult galaktikasimulatsioonide abil.
Selle tegi võimalikuks Stuttgarti superarvuti Hazel Hen, kus 16 000 südamikku töötasid koos enam kui aasta - see on seni kõige pikem ja ressursimahukam simulatsioon. Simulatsioon ise koosneb enam kui 230 miljoni valgusaasta läbimõõduga kuubikust ruumist, mis sisaldab enam kui 20 miljardit osakest, mis esindavad tumedat ainet, tähti, kosmilist gaasi, magnetvälju ja supermassiivseid mustaid auke (SMBH).
TNG50 suudab tuvastada ka füüsikalisi nähtusi, mis esinevad skaaladel kuni miljon miljonini üldmahust (st 230 valgusaastat). See võimaldab simulatsioonil jälgida tuhandete galaktikate samaaegset arengut kosmilise ajaloo 13,8 miljardi aasta jooksul. Nende simulatsiooni tulemused avaldati kahes ajakirjas ilmunud kahes artiklis Kuningliku Astronoomiaühingu igakuised teated.
Mõlemat uuringut juhtisid dr Annalisa Pillepich Max Plancki astronoomiainstituudist ja dr Dylan Nelson Max Plancki astrofüüsika instituudist. Nagu Dylan RASi pressiteates selgitas:
"Seda laadi numbrilised katsed on eriti edukad, kui saate rohkem välja kui panite. Meie simulatsioonis näeme nähtusi, mida polnud simulatsioonikoodisse selgesõnaliselt programmeeritud. Need nähtused tekivad loomulikul moel meie näidisuniversumi põhiliste füüsikaliste koostisosade keerulisest koosmõjust. ”
Lisaks on TNG50 esimene omataoline simulatsioon kahele tekkivale nähtusele, millel on galaktikate evolutsioonis võtmeroll. Esiteks märkas uurimisrühm, et kui nad ajas tagasi vaadata, tekkisid korrektselt kiiresti pöörlevad kettagalaktikad (nagu Linnutee) algselt kaootilistest gaasipilvedest.
Kui see gaas arvas, siis vastsündinud tähed võtsid järjest enam ringikujulisi orbiite, andes lõpuks teed suurtele spiraalgalaktikatele. Nagu dr Annalisa Pillepich selgitas:
"Praktikas näitab TNG50, et meie enda Linnutee galaktika koos õhukese kettaga on galaktika moodi kõrgpunktis: viimase 10 miljardi aasta jooksul on vähemalt need galaktikad, mis alles moodustavad uusi tähti, muutunud üha plaaditaolisemaks, ja nende kaootilised sisemised liikumised on märkimisväärselt vähenenud. Universum oli vaid mõne miljardi aasta vanuselt palju räpane! ”
Teine ilmnenud nähtus ilmnes, kui galaktikad lambusid simulatsioonis, kus galaktikatest voolas välja kiire gaasituul. Seda ajendasid supernoovade plahvatused ja SMBH-de aktiivsus simuleeritud galaktikate keskmes. Veelkord, protsess oli algselt kaootiline, gaas voolas välja kõigis suundades, kuid lõpuks muutus see väikseima vastupanu teed pidi fokuseeritumaks.
Praeguse kosmoloogilise epohhi järgi muutuvad need voolud koonusekujuliseks ja voolavad galaktika vastaskülgedest, kusjuures materjal aeglustub, kuna jätab galaktika tumeaine halo nähtamatu gravitatsioonikaevu. Lõpuks lakkab see materjal väljapoole voolamast ja hakkab tagasi sisse kukkuma, saades sellest tegelikult taaskasutatud gaasi galaktiline purskkaev.
Teisisõnu, see simulatsioon on ka esimene omataoline, mis näitab, kuidas kosmilise gaasi geomeetria voolab galaktikate ümber nende struktuuride (ja vastupidi). Oma töö eest pälvisid dr Pillepich ja dr Nelson 2019. aasta kuldse teravikupreemia, mille annab rahvusvahelise stardirühma liikmetele välja Saksamaal Stuttgarti kõrgjõudlusega arvutikeskus.
Dr Nelson ja nende kolleegid kavatsevad avaldada ka kõik TNG50 simulatsiooni andmed astronoomilisele kogukonnale ja avalikkusele. See võimaldab astronoomidel ja kodanikuteadlastel simulatsiooni põhjal teha oma avastused, mis võivad sisaldada täiendavaid näiteid tekkivatest kosmilistest nähtustest või resolutsioonidest kestvate kosmiliste müsteeriumideni.
