Od polovice 20. storočia mali vedci celkom dobrú predstavu o tom, ako vznikol vesmír. Kozmická expanzia a objav kozmického mikrovlnného pozadia (CMB) prepožičali dôveryhodnosť teórii Veľkého tresku a zrýchlená miera expanzie viedla k teóriám o temnej energii. Vedci však stále veľa poznajú prvotný vesmír, ktorý vedci stále nevedia, čo si vyžaduje, aby sa spoliehali na simulácie kozmického vývoja.
Tradične to predstavuje problém, pretože obmedzenia výpočtov znamenali, že simulácia mohla byť buď rozsiahla alebo podrobná, ale nie oboje. Tím vedcov z Nemecka a USA však nedávno dokončil najpodrobnejšiu rozsiahlu simuláciu. Táto najmodernejšia simulácia, známa ako TNG50, umožní výskumníkom študovať, ako sa vesmír vyvíjal podrobne a vo veľkom meradle.
TNG50 je najnovšia simulácia, ktorú vytvoril IllustrisTNG, prebiehajúci projekt zameraný na vytváranie veľkých kozmologických simulácií tvorby galaxií. Je priekopnícke v tom, že sa vyhýba tradičným kompromisným astronómom, ktoré sú nútené zápasiť. Stručne povedané, podrobné simulácie v minulosti trpeli nízkym objemom, čo sťažovalo štatistické dedukcie o veľkom vesmírnom vývoji.
Na druhej strane veľkoobjemové simulácie tradične nemajú dostatok detailov na reprodukciu mnohých vlastností malého rozsahu, ktoré sú vo vesmíre, čo znižuje ich spoľahlivosť predpovedí. TNG50 je prvou simuláciou svojho druhu v tom, že dokáže kombinovať myšlienku rozsiahlych simulácií - koncept „Universe in a box“ - s rozlíšením, ktoré bolo predtým možné iba pri simuláciách galaxií.
To umožnil superpočítač Hazel Hen v Stuttgarte, kde spolu 16 000 jadier pracovalo spolu viac ako rok - doteraz najdlhšia simulácia najnáročnejšia na zdroje. Samotná simulácia pozostáva z kocky priestoru s priemerom viac ako 230 miliónov svetelných rokov, ktorá obsahuje viac ako 20 miliárd častíc predstavujúcich temnú hmotu, hviezdy, kozmický plyn, magnetické polia a superhmotné čierne diery (SMBH).
TNG50 môže tiež rozoznať fyzikálne javy, ktoré sa vyskytujú v mierkach až do jednej milióniny celkového objemu (t. J. 230 svetelných rokov). To umožňuje simulácii sledovať súčasný vývoj tisícov galaxií v priebehu 13,8 miliárd rokov kozmickej histórie. Výsledky ich simulácie boli uverejnené v dvoch publikáciách, ktoré sa nedávno objavili v časopise Mesačné oznámenia Kráľovskej astronomickej spoločnosti.
Obe štúdie viedli Dr. Annalisa Pillepich z Inštitútu Maxa Plancka pre astronómiu a Dr. Dylan Nelson z Inštitútu Maxa Plancka pre astrofyziku. Ako Dylan vysvetlil v tlačovej správe RAS:
„Numerické experimenty tohto druhu sú obzvlášť úspešné, keď sa dostanete von viac, ako ste uviedli. V našej simulácii vidíme javy, ktoré neboli výslovne naprogramované do simulačného kódu. Tieto javy sa objavujú prirodzeným spôsobom z komplexnej súhry základných fyzikálnych zložiek nášho modelového vesmíru. “
Okrem toho je TNG50 prvou simuláciou svojho druhu pre dva vznikajúce javy, ktoré zohrávajú kľúčovú úlohu pri vývoji galaxií. Po prvé, výskumný tím si všimol, že keď sa obzreli späť v čase, z usporiadaných rýchlo sa otáčajúcich diskových galaxií (ako Mliečna dráha) sa objavili počiatočné chaotické oblaky plynu.
Keď sa tento plyn usadil, novonarodené hviezdy si osvojili stále viac kruhových dráh, ktoré nakoniec ustúpili veľkým špirálovitým galaxiám. Annalisa Pillepichová vysvetlila:
„V praxi ukazuje TNG50, že naša vlastná galaxia Mliečna dráha s jej tenkým diskom je na vrchole galaxie: za posledných 10 miliárd rokov sa aspoň tie galaxie, ktoré stále tvoria nové hviezdy, stali viac a viac podobné diskom, a ich chaotické vnútorné pohyby sa výrazne znížili. Vesmír bol oveľa chaotickejší, keď mal iba niekoľko miliárd rokov! “
Druhý vznikajúci jav sa objavil, keď sa v simulácii sploštili galaxie, kde sa z galaxií vytekali vysokorýchlostné vetry plynu. Toto bolo poháňané explóziami supernov a aktivitou zo SMBH v srdci simulovaných galaxií. Opäť bol tento proces spočiatku chaotický, keď plyn prúdil vo všetkých smeroch, ale nakoniec sa viac sústredil na cestu najmenšieho odporu.
Podľa súčasnej kozmologickej epochy sa tieto toky stanú v tvare kužeľa a tečú z opačných koncov galaxie, pričom materiál sa spomaľuje, pretože zanecháva neviditeľnú studňu studne temnej hmoty galaxie. Nakoniec tento materiál prestane stekať smerom von a začína klesať dovnútra, čím sa stáva galaktickou fontánou recyklovaného plynu.
Inými slovami, táto simulácia je tiež prvou svojho druhu, ktorá ukázala, ako geometria tokov kozmického plynu okolo galaxií určuje ich štruktúru (a naopak). Za svoju prácu získali Dr. Pillepich a Dr. Nelson Cenu 2019 Golden Spike Award, ktorú udeľujú členom medzinárodnej výskumnej komunity High-Performance Computer Center v nemeckom Stuttgarte.
Dr. Nelson a ich kolegovia sa tiež snažia uvoľniť všetky údaje o simulácii TNG50 pre astronomickú komunitu a verejnosť. To umožní astronómom a občanom vedy robiť vlastné objavy zo simulácie, ktorá by mohla zahŕňať ďalšie príklady vznikajúcich kozmických javov alebo predsavzatia k pretrvávajúcim kozmickým tajomstvám.
