Tvorba galaxií je komplexný tanec medzi hmotou a energiou, ktorý sa vyskytuje na javisku kozmických rozmerov a prekračuje miliardy rokov. Ako rozmanitosť štruktúrovaných a dynamických galaxií, ktoré pozorujeme dnes, vznikla z ohnivého chaosu Veľkého tresku, zostáva jednou z najťažších nevyriešených hádaniek kozmológie.
Pri hľadaní odpovedí medzinárodný tím vedcov vytvoril doteraz najpodrobnejší rozsiahly model vesmíru, simuláciu, ktorú nazývajú TNG50. Ich virtuálny vesmír, ktorý má šírku asi 230 miliónov svetelných rokov, obsahuje desiatky tisíc vyvíjajúcich sa galaxií s úrovňou detailov, ktorá sa predtým pozorovala iba v modeloch s jednou galaxiou. Simulácia sledovala viac ako 20 miliárd častíc predstavujúcich temnú hmotu, plyny, hviezdy a supermasívne čierne diery počas obdobia 13,8 miliárd rokov.
Bezprecedentné rozlíšenie a rozsah umožnili vedcom zhromaždiť kľúčové pohľady do minulosti nášho vesmíru a odhaliť, ako sa rôzne podivne tvarované galaxie premenili na bytie a ako hviezdne explózie a čierne diery spustili tento galaktický vývoj. Ich výsledky sú uverejnené v dvoch článkoch, ktoré sa objavia v čísle časopisu Mesačné oznámenia Kráľovskej astronomickej spoločnosti z decembra 2019.
TNG50 je najnovšia simulácia vytvorená v rámci projektu IllustrisTNG, ktorý si kladie za cieľ zostaviť úplný obraz o tom, ako sa náš vesmír vyvíjal od Veľkého tresku, a to vytvorením veľkého vesmíru bez obetovania jemných detailov jednotlivých galaxií.
„Tieto simulácie sú obrovské súbory údajov, kde sa môžeme naučiť tonu rozpitvaním a porozumením formovania a vývoja galaxií v nich,“ povedal Paul Torrey, docent fyziky na Floridskej univerzite a spoluautor štúdie. „Čo je v TNG50 zásadne nové, je to, že sa v galaxiách dostávate k dostatočne veľkému množstvu a priestorovému rozlíšeniu, ktoré vám dáva jasný obraz o tom, ako vyzerá vnútorná štruktúra systémov, keď sa tvoria a vyvíjajú.“
Pozornosť modelu na detaily prichádza za určitú cenu. Simulácia vyžadovala 16 000 jadier procesora superpočítača Hazel Hen v nemeckom Stuttgarte, ktorý bežal nepretržite viac ako rok. Rovnaký výpočet by pre výpočet vyžadoval systém s 15 000 rokmi jedného procesora. Vedci sú presvedčení, že ich investície sa vyplatili, napriek tomu, že sú jednou z najpočítačovo najťažších astrofyzikálnych simulácií v histórii.
„Numerické experimenty tohto druhu sú obzvlášť úspešné, keď sa dostanete viac, ako ste uviedli,“ uviedol vo vyhlásení Dylan Nelson, postdoktorandský ústav v Astrofyzike v Maxe Plancka v Nemecku a spoluautor štúdie. , „V našej simulácii vidíme javy, ktoré neboli explicitne naprogramované do simulačného kódu. Tieto javy sa objavujú prirodzeným spôsobom z komplexného súhry základných fyzikálnych zložiek nášho modelového vesmíru.“
Tento vznikajúci jav môže byť nevyhnutný na pochopenie toho, prečo sa náš vesmír javí tak, ako je to dnes 13,8 miliárd rokov po Veľkom tresku. TNG50 dovolil vedcom na prvý pohľad vidieť, ako sa galaxie mohli objaviť z turbulentných oblakov plynu prítomných krátko po narodení vesmíru. Zistili, že galaxie v tvare disku, ktoré sú spoločné pre naše kozmické okolie, sa prirodzene objavili v rámci ich simulácie a vytvorili vnútorné štruktúry vrátane špirálových ramien, hrčiek a tyčí, ktoré sa tiahnu od ich centrálnych supermasívnych čiernych dier. Keď porovnali svoj počítačom generovaný vesmír s pozorovaniami v reálnom živote, zistili, že ich populácia galaxií bola kvalitatívne konzistentná s realitou.
Keď sa ich galaxie naďalej sploštili na správne usporiadané rotujúce disky, začal sa objavovať ďalší fenomén. Výbuchy supernovy a supermasívne čierne diery v strede každej galaxie spôsobili vysokorýchlostný odtok plynu. Tieto odtoky sa premenili na fontány plynu stúpajúce tisíce svetelných rokov nad galaxiu. Ťažná sila nakoniec priviedla veľkú časť tohto plynu späť na disk galaxie, redistribuovala ho na jeho vonkajší okraj a vytvorila spätnú väzbu odtoku a prítoku plynu. Okrem recyklovania prísad na tvorbu nových hviezd sa ukázalo, že odtoky tiež menia štruktúru svojej galaxie. Recyklované plyny urýchlili transformáciu galaxií na tenké rotujúce disky.
Napriek týmto počiatočným zisteniam, tím ešte ani zďaleka neukončil pitvu svojho modelu. Plánujú tiež zverejniť všetky údaje simulácie verejne pre astronómov z celého sveta, aby mohli študovať svoj virtuálny vesmír.
„Teraz, keď máme tieto simulácie hotové, máme pred sebou obrovskú cestu,“ povedal Torrey. „Celý tím výskumníkov sa snaží lepšie porozumieť podrobným vlastnostiam galaxií, ktoré sa tvoria, a tým, aké objavujúce sa trendy sa v týchto údajoch ukazujú.“
