Ο σχηματισμός γαλαξιών είναι ένας περίπλοκος χορός μεταξύ ύλης και ενέργειας, που συμβαίνει σε ένα στάδιο κοσμικών διαστάσεων και διέρχεται από δισεκατομμύρια χρόνια. Πώς η ποικιλομορφία δομημένων και δυναμικών γαλαξιών που παρατηρούμε σήμερα από το φλογερό χάος του Big Bang παραμένει ένα από τα πιο δύσκολα άλυτα παζλ της κοσμολογίας.
Σε αναζήτηση απαντήσεων, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων έχει δημιουργήσει μέχρι σήμερα το πιο λεπτομερές μοντέλο μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος, μια προσομοίωση που ονομάζουν TNG50. Το εικονικό τους σύμπαν, περίπου 230 εκατομμύρια έτη φωτός, περιέχει δεκάδες χιλιάδες εξελισσόμενους γαλαξίες με επίπεδα λεπτομέρειας που παρατηρήθηκαν προηγουμένως μόνο σε μοντέλα ενός γαλαξία. Η προσομοίωση παρακολούθησε περισσότερα από 20 δισεκατομμύρια σωματίδια που αντιπροσωπεύουν τη σκοτεινή ύλη, τα αέρια, τα αστέρια και τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, σε περίοδο 13,8 δισεκατομμυρίων ετών.
Η άνευ προηγουμένου ανάλυση και κλίμακα επέτρεψε στους ερευνητές να συγκεντρώσουν βασικές ιδέες στο παρελθόν του δικού μας κόσμου, αποκαλύπτοντας τον τρόπο με τον οποίο διάφοροι περίεργοι γαλαξίες μεταμορφώθηκαν σε ύπαρξη και πόσο αστρικές εκρήξεις και μαύρες τρύπες προκάλεσαν αυτή τη γαλαξιακή εξέλιξη. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύονται σε δύο άρθρα που παρουσιάζονται στο τεύχος Δεκεμβρίου του 2019 του περιοδικού Μηνιαίες ανακοινώσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.
Το TNG50 είναι η τελευταία προσομοίωση που δημιουργήθηκε από το έργο IllustrisTNG, το οποίο στοχεύει να δημιουργήσει μια πλήρη εικόνα του πώς εξελίχθηκε το σύμπαν μας από την Μεγάλη Έκρηξη δημιουργώντας ένα μεγάλο σύμπαν χωρίς να θυσιάζει τις λεπτομέρειες των μεμονωμένων γαλαξιών.
"Αυτές οι προσομοιώσεις είναι τεράστια σύνολα δεδομένων όπου μπορούμε να μάθουμε έναν τόνο ανασυνθέτοντας και κατανοώντας το σχηματισμό και την εξέλιξη των γαλαξιών μέσα τους", δήλωσε ο Paul Torrey, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Φλώριδας και συν-συγγραφέας της μελέτης. "Αυτό που είναι θεμελιωδώς νέο για το TNG50, είναι ότι φτάνετε σε μια αρκετά μεγάλη μάζα και χωρική ανάλυση μέσα στους γαλαξίες που σας δίνουν μια σαφή εικόνα για το τι φαίνεται η εσωτερική δομή των συστημάτων καθώς αυτά διαμορφώνονται και εξελίσσονται".
Η προσοχή του μοντέλου σε λεπτομέρειες έρχεται με κάποιο κόστος. Η προσομοίωση απαιτούσε 16.000 πυρήνες επεξεργαστών του υπερυπολογιστή Hazel Hen στη Στουτγάρδη της Γερμανίας, που λειτουργούσε συνεχώς για περισσότερο από ένα χρόνο. Ο ίδιος υπολογισμός θα απαιτούσε ένα ενιαίο σύστημα επεξεργαστή για να υπολογίσει 15.000 χρόνια. Παρά το γεγονός ότι είναι μια από τις πιο υπολογιστικές βαριές αστροφυσικές προσομοιώσεις στην ιστορία, οι ερευνητές πιστεύουν ότι οι επενδύσεις τους έχουν αποδώσει.
"Τα αριθμητικά πειράματα αυτού του είδους είναι ιδιαίτερα επιτυχημένα όταν βγάζετε περισσότερα από όσα βάζετε", δήλωσε σε συνέντευξή του ο Dylan Nelson, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Max Planck στο Μόναχο της Γερμανίας και συν-συγγραφέας της μελέτης . "Στην προσομοίωση μας, βλέπουμε φαινόμενα που δεν είχαν προγραμματιστεί ρητά στον κώδικα προσομοίωσης. Αυτά τα φαινόμενα προκύπτουν με φυσικό τρόπο, από την πολύπλοκη αλληλεπίδραση των βασικών φυσικών συστατικών του μοντέλου σύμπαντος μας".
Αυτό το αναδυόμενο φαινόμενο μπορεί να είναι απαραίτητο για την κατανόηση του γιατί το σύμπαν μας εμφανίζεται όπως είναι σήμερα 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Το TNG50 επέτρεψε στους ερευνητές να δουν από πρώτο χέρι πόσο γαλαξίες μπορεί να προέκυψαν από τα ταραχώδη σύννεφα του φυσικού αερίου που υπήρχαν λίγο μετά τη γέννηση του σύμπαντος. Ανακάλυψαν ότι οι γαλαξίες σε σχήμα δίσκου που είναι κοινές στην κοσμική μας γειτονιά, προέκυψαν φυσικά μέσα στην προσομοίωση τους και παρήγαγαν εσωτερικές δομές, συμπεριλαμβανομένων σπειροειδών βραχιόνων, εξογκωμάτων και ράβδων που εκτείνονται από τις κεντρικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες τους. Όταν σύγκρισαν τον υπολογιστή που δημιούργησαν τον κόσμο τους με τις πραγματικές παρατηρήσεις, διαπίστωσαν ότι ο πληθυσμός των γαλαξιών τους ήταν ποιοτικά συνεπής με την πραγματικότητα.
Καθώς οι γαλαξίες τους συνέχιζαν να ισιώνουν σε καλά διατεταγμένους περιστρεφόμενους δίσκους, ένα άλλο φαινόμενο άρχισε να εμφανίζεται. Οι εκρήξεις σουπερνόβα και οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στην καρδιά κάθε γαλαξία δημιούργησαν εκροές αερίου υψηλής ταχύτητας. Αυτές οι εκροές μεταμορφώθηκαν σε βρύσες αερίου που ανέβαιναν χιλιάδες έτη φωτός πάνω από έναν γαλαξία. Το ρυμουλκό της βαρύτητας έφερε τελικά μεγάλο μέρος αυτού του αερίου πίσω στο δίσκο του γαλαξία, ανακατανέμοντάς το στην εξωτερική του άκρη και δημιουργώντας ένα βρόχο ανατροφοδότησης της εκροής και της εισροής αερίου. Εκτός από την ανακύκλωση των συστατικών για το σχηματισμό νέων αστεριών, οι εκροές επίσης έδειξαν ότι αλλάζουν τη δομή των γαλαξιών τους. Τα ανακυκλωμένα αέρια επιτάχυναν τον μετασχηματισμό των γαλαξιών σε λεπτούς περιστρεφόμενους δίσκους.
Παρά τα αρχικά αυτά ευρήματα, η ομάδα απέχει πολύ από το να τελειώσει το μοντέλο. Σχεδιάζουν επίσης να αποδεσμεύσουν δημόσια όλα τα δεδομένα προσομοίωσης για τους αστρονόμους σε όλο τον κόσμο για να μελετήσουν τον εικονικό τους κόσμο.
"Υπάρχει ένας τεράστιος δρόμος μπροστά μας τώρα που έχουμε ολοκληρώσει αυτές τις προσομοιώσεις", δήλωσε ο Torrey. "Μια ολόκληρη ομάδα ερευνητών εργάζονται για να κατανοήσουν καλύτερα τις λεπτομερείς ιδιότητες των γαλαξιών που σχηματίζονται και τις αναδυόμενες τάσεις που εμφανίζονται σε αυτά τα δεδομένα".
