Dannelsen af galakser er en kompleks dans mellem stof og energi, der forekommer på en scene med kosmiske proportioner og spænder over milliarder af år. Hvordan mangfoldigheden af strukturerede og dynamiske galakser, vi observerer i dag, opstod fra Big Bangs brændende kaos forbliver et af de mest vanskelige, uløste gåder i kosmologien.
På jagt efter svar har et internationalt team af forskere oprettet den mest detaljerede storskala model af universet til dato, en simulering, de kalder TNG50. Deres virtuelle univers, ca. 230 millioner lysår bredt, indeholder titusinder af udviklende galakser med detaljeringsniveauer, der tidligere kun blev set i modeller med en galakse. Simuleringen sporer over 20 milliarder partikler, der repræsenterer mørkt stof, gasser, stjerner og supermassive sorte huller i en periode på 13,8 milliarder år.
Den hidtil uset opløsning og skala gjorde det muligt for forskerne at samle nøgleindblik i vores eget universs fortid og afsløre, hvordan forskellige underligt formede galakser morfede sig til at blive, og hvordan stjernesexplosioner og sorte huller udløste denne galaktiske udvikling. Deres resultater offentliggøres i to artikler, der skal vises i december 2019-udgaven af tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
TNG50 er den seneste simulering oprettet af IllustrisTNG-projektet, der sigter mod at opbygge et komplet billede af, hvordan vores univers udviklede sig siden Big Bang ved at producere et storskala univers uden at ofre de fine detaljer i individuelle galakser.
"Disse simuleringer er enorme datasæt, hvor vi kan lære et ton ved at dissekere og forstå dannelsen og udviklingen af galakser inden i dem," sagde Paul Torrey, lektor i fysik ved University of Florida og medforfatter til studiet. "Hvad der grundlæggende nyt ved TNG50, er, at du kommer til en tilstrækkelig høj masse og rumlig opløsning inden for galakserne, der giver dig et klart billede af, hvordan systemernes indre struktur ser ud, når de dannes og udvikler sig."
Modelens opmærksomhed for detaljer kommer til en pris. Simuleringen krævede 16.000 processor-kerner af Hazel Hen-supercomputeren i Stuttgart, Tyskland, og kørte kontinuerligt i mere end et år. Den samme beregning ville tage et enkelt processorsystem 15.000 år at beregne. På trods af at være en af de mest beregningsmæssigt tunge astrofysiske simuleringer i historien, mener forskerne, at deres investering har betalt sig.
"Numeriske eksperimenter af denne art er særlig vellykkede, når du kommer ud mere end du lægger i," sagde Dylan Nelson, en postdoktor ved Max Planck-instituttet for astrofysik i München, Tyskland og medforfatter til undersøgelsen, i en erklæring . "I vores simulering ser vi fænomener, der ikke var blevet programmeret eksplicit i simuleringskoden. Disse fænomener fremkommer på en naturlig måde fra det komplekse samspil mellem de grundlæggende fysiske ingredienser i vores modelunivers."
Det nye fænomen kan være essentielt for at forstå, hvorfor vores univers ser ud, som det er i dag 13,8 milliarder år efter Big Bang. TNG50 tilladte forskere at se førstehånds, hvordan galakser kan være fremkommet fra de turbulente gasskyer, der var til stede kort efter, at universet blev født. De opdagede, at de diskformede galakser, der var fælles for vores kosmiske kvarter, naturligt opstod inden for deres simulering og producerede indre strukturer, inklusive spiralarme, bule og stænger, der strækker sig fra deres centrale supermassive sorte huller. Da de sammenlignede deres computergenererede univers med observationer i det virkelige liv, fandt de, at deres befolkning af galakser var kvalitativt i overensstemmelse med virkeligheden.
Da deres galakser fortsatte med at flade ned i velordnede roterende diske, begyndte et andet fænomen at dukke op. Supernova-eksplosioner og supermassive sorte huller i hjertet af hver galakse skabte højhastighedsudstrømning af gas. Disse udstrømninger ændrede sig til gas springvand stigende tusinder af lysår over en galakse. Tyngdekraften bragte til sidst meget af denne gas tilbage til galaksens skive og omdistribuerede den til dens ydre kant og skabte en feedback-loop af gasudstrømning og -indstrømning. Bortset fra at genanvende ingredienserne til dannelse af nye stjerner, blev udstrømmene også vist at ændre deres galakse struktur. De genanvendte gasser accelererede omdannelsen af galakser til tynde roterende diske.
På trods af disse indledende fund er teamet langt fra færdigt med at dissekere deres model. De planlægger også at frigive alle simuleringens data offentligt for astronomer over hele verden til at studere deres virtuelle kosmos.
”Der er en kæmpe vej foran os nu, hvor vi har afsluttet disse simuleringer,” sagde Torrey. "Et helt team af forskere arbejder for bedre at forstå de detaljerede egenskaber ved de galakser, der dannes, og hvilke fremtrædende tendenser der vises i disse data."
