Siden midten af det 20. århundrede har forskere haft en ret god idé om, hvordan universet blev til. Kosmisk ekspansion og opdagelsen af den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB) lånte troværdighed til Big Bang-teorien, og den accelererende ekspansionskurs førte til teorier om Dark Energy. Der er stadig meget om det tidlige univers, som videnskabsmænd stadig ikke kender, hvilket kræver, at de er afhængige af simuleringer af kosmisk udvikling.
Dette har traditionelt været lidt af et problem, da computerbegrænsningerne betød, at simulering enten kunne være i stor skala eller detaljeret, men ikke begge dele. Imidlertid afsluttede et team af videnskabsfolk fra Tyskland og USA for nylig den mest detaljerede simulering i stor skala til dato. Kendt som TNG50 vil denne avancerede simulering give forskere mulighed for at studere, hvordan kosmos udviklede sig både i detaljer og i stor skala.
TNG50 er den seneste simulering produceret af IllustrisTNG, et igangværende projekt dedikeret til skabelsen af store, kosmologiske simuleringer af galaksdannelse. Det er banebrydende, idet det undgår, at de traditionelle afvekslingsastronomer tvinges til at kæmpe med. Kort sagt, detaljerede simuleringer led af lavt volumen i fortiden, hvilket gjorde statistiske fradrag om storskala kosmisk udvikling vanskelige.
På den anden side mangler simuleringer i stort volumen traditionelt detaljerne til at gengive mange af de småskalaegenskaber, som universet har, hvilket gør deres forudsigelser mindre pålidelige. TNG50 er den første simulering af sin art, idet den formår at kombinere ideen om storstilt simuleringer - konceptet “Universe in a box” - med den slags opløsning, der tidligere kun var mulig med galakssimuleringer.
Dette blev muliggjort af Hazel Hen-supercomputeren i Stuttgart, hvor 16.000 kerner arbejdede sammen i mere end et år - den længste og mest ressourceintensive simulering til dato. Selve simuleringen består af en terning i rummet, der måler mere end 230 millioner lysår i diameter, der indeholder mere end 20 milliarder partikler, der repræsenterer mørkt stof, stjerner, kosmisk gas, magnetiske felter og supermassive sorte huller (SMBH).
TNG50 kan også skelne fysiske fænomener, der forekommer i skalaer ned til en milliondel af det samlede volumen (dvs. 230 lysår). Dette gør det muligt for simuleringen at spore den samtidige udvikling af tusinder af galakser i løbet af 13,8 milliarder år med kosmisk historie. Resultaterne af deres simulering blev offentliggjort i to artikler, der for nylig blev vist i tidsskriftet Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society.
Begge undersøgelser blev ledet af Dr. Annalisa Pillepich fra Max Planck Institut for Astronomi, og Dr. Dylan Nelson fra Max Planck Institut for Astrofysik. Som Dylan forklarede i en RAS-pressemeddelelse:
”Numeriske eksperimenter af denne art er især vellykkede, når man kommer ud mere end man lægger i. I vores simulering ser vi fænomener, der ikke var blevet programmeret eksplicit i simuleringskoden. Disse fænomener opstår på en naturlig måde fra det komplekse samspil mellem de grundlæggende fysiske ingredienser i vores modelunivers. ”
Derudover er TNG50 den første simulering i sin art til to nye fænomener, der spiller en nøglerolle i udviklingen af galakser. Først bemærkede forskerteamet, at når de så tilbage i tiden, fremkom de ordnede, hurtigt roterende skivegalakser (som Mælkevejen) fra oprindeligt kaotiske gasskyer.
Efterhånden som denne gas sænkede, adopterede nyfødte stjerner i stigende grad cirkulære baner og gav efterhånden plads til store spiralgalakser. Som Dr. Annalisa Pillepich forklarede:
”I praksis viser TNG50, at vores egen Mælkevej-galakse med sin tynde skive er på højden af galaksmoden: I løbet af de sidste 10 milliarder år er i det mindste de galakser, der stadig danner nye stjerner, blevet mere og mere skive-lignende, og deres kaotiske indre bevægelser er faldet betydeligt. Universet var meget rodet, da det bare var et par milliarder år gammelt! ”
Det andet nye fænomen optrådte, da galakserne fladt ud i simuleringen, hvor højhastighedsvinden af gas blev set strømme ud af galakserne. Dette blev drevet af supernovaeeksplosioner og aktivitet fra SMBHs i hjertet af de simulerede galakser. Endnu en gang var processen oprindeligt kaotisk med gas, der strømte ud i alle retninger, men blev til sidst mere fokuseret langs en vej med mindst modstand.
Ved den nuværende kosmologiske epoke bliver disse strømme kegleformede og flyder fra de modsatte ender af galaksen, med materialet langsommere, når det forlader den usynlige tyngdekraftbrønd i galakens mørke stofhalo. Til sidst stopper dette materiale med at strømme udad og begynder at falde tilbage og bliver til en galaktisk springvand af genanvendt gas.
Med andre ord, denne simulering er også den første af sin art, der viser, hvordan geometrien for kosmisk gas strømmer omkring galakser bestemmer deres strukturer (og vice versa). For deres arbejde blev Dr. Pillepich og Dr. Nelson tildelt Golden Golden Spike-prisen i 2019, som uddeles til medlemmer af det internationale forskersamfund af High-Performance Computer Center i Stuttgart, Tyskland.
Dr. Nelson og deres kolleger planlægger også med tiden at frigive alle TNG50-simuleringsdata til det astronomiske samfund og offentligheden. Dette vil give astronomer og borgerforskere mulighed for at foretage deres egne opdagelser fra simuleringen, som kunne indeholde yderligere eksempler på nye kosmiske fænomener eller opløsninger om vedvarende kosmiske mysterier.
