Galaktiku veidošanās ir sarežģīta deja starp matēriju un enerģiju, kas notiek uz kosmisko proporciju skatuves un aptver miljardus gadu. Tas, kā strukturēto un dinamisko galaktiku daudzveidība, ko mēs šodien novērojam, radās Lielā sprādziena ugunīgā haosa dēļ, joprojām ir viena no vissarežģītākajām neatrisinātajām kosmoloģijas mīklām.
Meklējot atbildes, starptautiska zinātnieku grupa ir izveidojusi līdz šim detalizētāko liela mēroga Visuma modeli, simulāciju, kuru viņi sauc par TNG50. Viņu virtuālais visums, apmēram 230 miljonu gaismas gadu platumā, satur desmitiem tūkstošu attīstītu galaktiku ar detalizācijas pakāpi, kas iepriekš bija redzama tikai vienas galaktikas modeļos. Simulācija 13,8 miljardu gadu laikā izsekoja vairāk nekā 20 miljardus daļiņu, kas attēlo tumšo vielu, gāzes, zvaigznes un supermasīvos melnos caurumus.
Bezprecedenta izšķirtspēja un mērogs ļāva pētniekiem apkopot galveno ieskatu mūsu pašu Visuma pagātnē, atklājot, kā dažādas savādi veidotas galaktikas sevi pārtapa un kā zvaigžņu sprādzieni un melnie caurumi izraisīja šo galaktisko evolūciju. Viņu rezultāti ir publicēti divos rakstos, kas tiks atspoguļoti Karaliskās astronomiskās biedrības žurnāla Mēneša paziņojumi 2019. gada decembra numurā.
TNG50 ir jaunākā IllustrisTNG projekta izveidotā simulācija, kuras mērķis ir izveidot pilnīgu priekšstatu par to, kā mūsu Visums ir attīstījies kopš Lielā sprādziena, izveidojot liela mēroga Visumu, neupurējot smalkas detaļas par atsevišķām galaktikām.
"Šīs simulācijas ir milzīgas datu kopas, kurās mēs varam apgūt tonnu, sadalot un izprotot galaktiku veidošanos un attīstību tajās," sacīja Pols Torijs, Floridas Universitātes fizikas asociētais profesors un pētījuma līdzautors. "TNG50 pilnīgi jauns ir tas, ka jūs sasniedzat pietiekami lielu masu un telpisko izšķirtspēju galaktikās, kas sniedz jums skaidru priekšstatu par to, kā izskatās sistēmu iekšējā struktūra, kad tās veidojas un attīstās."
Modeļa uzmanība detaļām prasa zināmas izmaksas. Simulācijai bija nepieciešami 16 000 procesora kodolu superdatorā Hazel Hen Štutgartē, Vācijā, kas nepārtraukti darbojas vairāk nekā gadu. Tāda paša aprēķina aprēķināšanai būtu nepieciešams viena procesora sistēma 15 000 gadu laikā. Neskatoties uz to, ka šī ir viena no skaitliski smagākajām astrofizikas simulācijām vēsturē, pētnieki uzskata, ka viņu ieguldījums ir atmaksājies.
"Šāda veida skaitliski eksperimenti ir īpaši veiksmīgi, ja izdodaties vairāk, nekā ieliekat," paziņojumā teikts Dilans Nelsons, Minhenes Vācijā, Max Planckas Astrofizikas institūta pēcdoktorantūras students, pētījuma līdzautors. . "Savā simulācijā mēs redzam parādības, kas nebija tieši ieprogrammētas simulācijas kodā. Šīs parādības rodas dabiskā veidā no sarežģītās mūsu modeļa Visuma fizisko sastāvdaļu mijiedarbības."
Šī parādījusies parādība varētu būt būtiska, lai saprastu, kāpēc mūsu Visums parādās tāds, kāds tas ir šodien 13,8 miljardus gadu pēc Lielā sprādziena. TNG50 ļāva pētniekiem no pirmavotiem redzēt, kā galaktikas varētu būt radušās no turbulentiem gāzes mākoņiem, kas atrodas neilgi pēc Visuma dzimšanas. Viņi atklāja, ka diska formas galaktikas, kas ir kopīgas mūsu kosmiskajai apkārtnei, dabiski parādījās to simulācijas laikā un radīja iekšējās struktūras, ieskaitot spirālveida ieročus, izspiedes un stieņus, kas stiepjas no to centrālajiem supermasīvajiem melnajiem caurumiem. Salīdzinot datoru ģenerēto Visumu ar reālās dzīves novērojumiem, viņi atklāja, ka viņu galaktiku populācija ir kvalitatīvi atbilstoša realitātei.
Tā kā viņu galaktikas turpināja saplacināties labi sakārtotos rotējošos diskos, sāka parādīties vēl viena parādība. Supernovas sprādzieni un supermasīvie melnie caurumi katras galaktikas centrā radīja ātrgaitas gāzes aizplūšanu. Šīs izplūdes tika iegremdētas gāzes strūklakās, kas tūkstošiem gaismas gadu laikā paceļas virs galaktikas. Smaguma vilcējs galu galā lielu daļu šīs gāzes atnesa atpakaļ galaktikas diskā, pārdalot to uz ārējo malu un izveidojot atgriezenisko saiti par gāzes aizplūšanu un pieplūdumu. Papildus sastāvdaļu pārstrādei jaunu zvaigžņu veidošanai tika pierādīts, ka arī aizplūšana maina to galaktiku struktūru. Pārstrādātās gāzes paātrināja galaktiku pārvēršanu plānos rotējošos diskos.
Neskatoties uz šiem sākotnējiem atklājumiem, komanda vēl nav tālu no tā, lai izstrādātu savu modeli. Viņi arī plāno publiskot visus simulācijas datus, lai astronomi visā pasaulē varētu izpētīt viņu virtuālo kosmosu.
"Tagad, kad esam pabeiguši šīs simulācijas, priekšā ir milzīgs ceļš," sacīja Torijs. "Vesela pētnieku komanda strādā, lai labāk izprastu veidojošo galaktiku detalizētās īpašības un to, kādas tendences parādās šajos datos."
