Από τα μέσα του 20ού αιώνα, οι επιστήμονες είχαν μια πολύ καλή ιδέα για το πώς δημιουργήθηκε το Σύμπαν. Η κοσμική επέκταση και η ανακάλυψη του Cosmic Microwave Background (CMB) έδωσαν αξιοπιστία στη θεωρία του Big Bang και ο επιταχυνόμενος ρυθμός επέκτασης οδήγησε σε θεωρίες σχετικά με τη σκοτεινή ενέργεια. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά για το πρώιμο Σύμπαν που οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη, πράγμα που απαιτεί να βασίζονται σε προσομοιώσεις στην κοσμική εξέλιξη.
Αυτό παραδοσιακά δημιουργεί ένα πρόβλημα, δεδομένου ότι οι περιορισμοί της πληροφορικής σήμαινε ότι η προσομοίωση θα μπορούσε να είναι είτε μεγάλης κλίμακας είτε λεπτομερής, αλλά όχι και τα δύο. Ωστόσο, μια ομάδα επιστημόνων από τη Γερμανία και τις Ηνωμένες Πολιτείες ολοκλήρωσε πρόσφατα την πιο λεπτομερή προσομοίωση μεγάλης κλίμακας μέχρι σήμερα. Γνωστή ως TNG50, αυτή η υπερσύγχρονη προσομοίωση θα επιτρέψει στους ερευνητές να μελετήσουν πώς εξελίχθηκε ο κόσμος τόσο σε λεπτομέρεια όσο και σε μεγάλη κλίμακα.
Το TNG50 είναι η τελευταία προσομοίωση που παράγεται από το IllustrisTNG, ένα τρέχον έργο αφιερωμένο στη δημιουργία μεγάλων, κοσμολογικών προσομοιώσεων σχηματισμού γαλαξιών. Είναι πρωτοποριακό στο ότι αποφεύγει τους παραδοσιακούς αστρονόμους να ανταγωνίζονται. Εν ολίγοις, οι λεπτομερείς προσομοιώσεις υπέφεραν από χαμηλό όγκο στο παρελθόν, γεγονός που καθιστούσε τις στατιστικές αφαιρέσεις για την κοσμική εξέλιξη μεγάλης κλίμακας.
Οι προσομοιώσεις μεγάλου όγκου, από την άλλη πλευρά, παραδοσιακά δεν διαθέτουν τη λεπτομέρεια για την αναπαραγωγή πολλών από τις μικρής κλίμακας ιδιότητες του Σύμπαντος, γεγονός που καθιστά τις προβλέψεις τους λιγότερο αξιόπιστες. Το TNG50 είναι η πρώτη προσομοίωση του είδους της, καθώς καταφέρνει να συνδυάσει την ιδέα προσομοιώσεων μεγάλης κλίμακας - την έννοια «Σύμπαν σε ένα κουτί» - με το είδος της ανάλυσης που ήταν προηγουμένως δυνατή μόνο με προσομοιώσεις γαλαξιών.
Αυτό έγινε εφικτό από τον υπερυπολογιστή Hazel Hen στη Στουτγκάρδη, όπου 16.000 πυρήνες συνεργάστηκαν για περισσότερο από ένα χρόνο - τη μεγαλύτερη και πιο εντατική εξομοίωση πόρων μέχρι σήμερα. Η ίδια η προσομοίωση αποτελείται από έναν κύβο χώρου διαμέτρου άνω των 230 εκατομμυρίων ετών φωτός που περιέχει περισσότερα από 20 δισεκατομμύρια σωματίδια που αντιπροσωπεύουν σκοτεινή ύλη, αστέρια, κοσμικό αέριο, μαγνητικά πεδία και υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBHs).
Το TNG50 μπορεί επίσης να διακρίνει τα φυσικά φαινόμενα που εμφανίζονται σε κλίμακες έως και το ένα εκατοστό του συνολικού όγκου (δηλαδή 230 έτη φωτός). Αυτό επιτρέπει στην προσομοίωση να εντοπίζει την ταυτόχρονη εξέλιξη χιλιάδων γαλαξιών κατά τη διάρκεια 13,8 δισεκατομμυρίων ετών κοσμικής ιστορίας. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσής τους δημοσιεύθηκαν σε δύο δημοσιεύσεις που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Μηνιαίες ειδοποιήσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.
Και οι δύο μελέτες καθοδήγησαν από την Dr. Annalisa Pillepich του Ινστιτούτου Max Planck για την Αστρονομία και από τον Δρ Dylan Nelson του Ινστιτούτου Max Planck για την Αστροφυσική. Όπως εξήγησε ο Dylan σε δελτίο τύπου RAS:
«Τα αριθμητικά πειράματα αυτού του είδους είναι ιδιαίτερα επιτυχημένα όταν βγάζετε περισσότερα από όσα βάλατε. Στην προσομοίωσή μας, βλέπουμε φαινόμενα που δεν είχαν προγραμματιστεί ρητά στον κώδικα προσομοίωσης. Αυτά τα φαινόμενα προκύπτουν με φυσικό τρόπο, από την περίπλοκη αλληλεπίδραση των βασικών φυσικών συστατικών του σύμπαντος μας.
Επιπλέον, το TNG50 είναι η πρώτη προσομοίωση του είδους του σε δύο αναδυόμενα φαινόμενα που παίζουν βασικό ρόλο στην εξέλιξη των γαλαξιών. Πρώτον, η ερευνητική ομάδα παρατήρησε ότι καθώς κοίταξαν πίσω στο παρελθόν, οι τακτικοί, ταχέως περιστρεφόμενοι γαλαξίες δίσκων (όπως ο Γαλαξίας) προέκυψαν από αρχικά χαοτικά σύννεφα αερίου.
Καθώς αυτό το αέριο εγκαταστάθηκε, τα νεογέννητα αστέρια υιοθέτησαν ολοένα και πιο κυκλικές τροχιές, δίνοντας τελικά τη θέση τους σε μεγάλους σπειροειδείς γαλαξίες. Όπως εξήγησε η Δρ Annalisa Pillepich:
Στην πράξη, το TNG50 δείχνει ότι ο δικός μας γαλαξίας Milky Way με τον λεπτό δίσκο του βρίσκεται στο ύψος της μόδας του γαλαξία: τα τελευταία 10 δισεκατομμύρια χρόνια, τουλάχιστον εκείνοι οι γαλαξίες που εξακολουθούν να σχηματίζουν νέα αστέρια έχουν γίνει όλο και περισσότερο σαν δίσκο, και οι χαοτικές εσωτερικές κινήσεις τους έχουν μειωθεί σημαντικά. Το Σύμπαν ήταν πολύ πιο ακατάστατο όταν ήταν μόλις μερικά δισεκατομμύρια χρόνια! "
Το δεύτερο αναδυόμενο φαινόμενο εμφανίστηκε καθώς οι γαλαξίες εξομαλύνονταν στην προσομοίωση, όπου οι άνεμοι αερίου υψηλής ταχύτητας φαινόταν να ρέουν έξω από τους γαλαξίες. Αυτό οφείλεται σε εκρήξεις σουπερνόβα και δραστηριότητα από SMBH στην καρδιά των προσομοιωμένων γαλαξιών. Για άλλη μια φορά, η διαδικασία ήταν αρχικά χαοτική με το αέριο να ρέει προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλά τελικά έγινε πιο επικεντρωμένο σε μια διαδρομή με λιγότερη αντίσταση.
Με την τρέχουσα κοσμολογική εποχή, αυτές οι ροές γίνονται σε σχήμα κώνου και ρέουν από τα αντίθετα άκρα του γαλαξία, με το υλικό να επιβραδύνεται καθώς αφήνει το αόρατο φρεάτιο βαρύτητας του φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης του γαλαξία. Τελικά, αυτό το υλικό σταματά να ρέει προς τα έξω και αρχίζει να πέφτει πίσω, καθιστώντας ουσιαστικά μια γαλαξιακή πηγή ανακυκλωμένου αερίου.
Με άλλα λόγια, αυτή η προσομοίωση είναι επίσης η πρώτη του είδους που δείχνει πώς η γεωμετρία του κοσμικού αερίου ρέει γύρω από τους γαλαξίες καθορίζει τις δομές τους (και αντίστροφα). Για τη δουλειά τους, οι Dr. Pillepich και Dr. Nelson απονεμήθηκαν το βραβείο Golden Spike 2019, το οποίο εκδίδεται σε μέλη της διεθνούς ερευνητικής κοινότητας από το Κέντρο Υπολογιστών Υψηλών Επιδόσεων στη Στουτγκάρδη της Γερμανίας.
Ο Δρ Nelson και οι συνάδελφοί τους σχεδιάζουν επίσης να κυκλοφορήσουν τελικά όλα τα δεδομένα προσομοίωσης TNG50 στην αστρονομική κοινότητα και στο κοινό. Αυτό θα επιτρέψει στους αστρονόμους και τους επιστήμονες των πολιτών να κάνουν τις δικές τους ανακαλύψεις από την προσομοίωση, η οποία θα μπορούσε να περιλαμβάνει επιπρόσθετα παραδείγματα κοσμικών φαινομένων ή αναλύσεων σε διαρκή κοσμικά μυστήρια.
