Kopš 20. gadsimta vidus zinātniekiem ir bijis diezgan labs priekšstats par to, kā izveidojās Visums. Kosmiskā izplešanās un kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) atklāšana aizdeva ticamību Lielā sprādziena teorijai, un pieaugošais izplešanās ātrums noveda pie teorijām par Tumšo enerģiju. Tomēr joprojām ir daudz par agrīno Visumu, ko zinātnieki vēl nezina, un tas prasa, lai viņi paļautos uz kosmiskās evolūcijas simulācijām.
Tas tradicionāli rada nelielu problēmu, jo skaitļošanas ierobežojumi nozīmēja, ka simulācija var būt gan liela mēroga, gan detalizēta, bet ne abas. Tomēr zinātnieku komanda no Vācijas un ASV nesen pabeidza līdz šim visdetalizētāko liela mēroga simulāciju. Pazīstams kā TNG50, šī modernākā simulācija ļaus pētniekiem izpētīt, kā kosmoss attīstījās gan detalizēti, gan lielā mērogā.
TNG50 ir jaunākā simulācija, ko izstrādājis IllustrisTNG, kas ir pašreizējs projekts, kas veltīts lielu, kosmoloģisku galaktiku veidošanās simulāciju izveidošanai. Tas ir revolucionāri, jo tas ļauj izvairīties no tradicionālajiem kompromisiem, ar kuriem astronomi ir spiesti stāties pretī. Īsāk sakot, detalizētas simulācijas agrāk cieta no neliela apjoma, kas apgrūtināja statistiskos atskaitījumus par liela mēroga kosmisko evolūciju.
No otras puses, liela apjoma simulācijām tradicionāli trūkst detaļu, lai reproducētu daudzas maza mēroga Visuma īpašības, kas viņu prognozes padara mazāk ticamas. TNG50 ir pirmā šāda veida simulācija, jo tai izdodas apvienot liela mēroga simulāciju ideju - “Universe in a box” koncepciju - ar tādu izšķirtspēju, kāda iepriekš bija iespējama tikai ar galaktiku simulācijām.
To ļāva Štutgartes superdators Hazel Hen, kur vairāk nekā gadu kopā strādāja 16 000 kodolu - līdz šim garākā un resursietilpīgākā simulācija. Pati simulācija sastāv no kosmosa kuba, kura diametrs pārsniedz 230 miljonus gaismas gadu, un tajā ir vairāk nekā 20 miljardi daļiņu, kas attēlo tumšo vielu, zvaigznes, kosmisko gāzi, magnētiskos laukus un supermasīvos melnos caurumus (SMBH).
TNG50 var arī saskatīt fiziskas parādības, kas notiek uz skalas līdz vienai miljonai daļai no kopējā tilpuma (t.i., 230 gaismas gadi). Tas ļauj simulācijai izsekot tūkstošiem galaktiku vienlaicīgai evolūcijai kosmiskās vēstures 13,8 miljardu gadu laikā. Viņu simulācijas rezultāti tika publicēti divos rakstos, kas nesen parādījās žurnālā Karaliskās astronomiskās biedrības ikmēneša paziņojumi.
Abus pētījumus vadīja Dr Annalisa Pillepiča no Maksa Planka astronomijas institūta un Dr. Dilans Nelsons no Maksa Planka astrofizikas institūta. Kā Dilans paskaidroja RAS paziņojumā presei:
“Šāda veida skaitliski eksperimenti ir īpaši veiksmīgi, ja iznāk vairāk, nekā ieliek. Simulācijā mēs redzam parādības, kuras simulācijas kodā nebija skaidri ieprogrammētas. Šīs parādības rodas dabiskā veidā, pateicoties mūsu modeļa Visuma fizisko sastāvdaļu sarežģītai mijiedarbībai. ”
Turklāt TNG50 ir pirmā šāda veida simulācija divām jaunām parādībām, kurām ir galvenā loma galaktiku evolūcijā. Pirmkārt, pētnieku grupa pamanīja, ka, atskatoties laikā, šīs sakārtotās, ātri rotējošās disku galaktikas (piemēram, Piena ceļš) parādījās no sākotnēji haotiskiem gāzes mākoņiem.
Kad šī gāze nogulēja, jaundzimušās zvaigznes aizvien vairāk riņķoja orbītā, galu galā dodot ceļu lielām spirālveida galaktikām. Kā paskaidroja Dr. Annalisa Pillepiča:
“Praksē TNG50 parāda, ka mūsu pašu Piena Ceļa galaktika ar plānu disku atrodas galaktiku modes augstumos: pēdējo 10 miljardu gadu laikā vismaz tās galaktikas, kas joprojām veido jaunas zvaigznes, ir kļuvušas arvien līdzīgākas diskam, un viņu haotiskās iekšējās kustības ir ievērojami samazinājušās. Visums bija daudz nekārtīgāks, kad tas bija tikai dažus miljardus gadu vecs! ”
Otra parādījusies parādība, kad simulācijas laikā galaktikas izlīdzinājās, kur no galaktikām bija redzams ātrgaitas gāzes vējš. To veicināja supernovu sprādzieni un SMBH aktivitātes simulēto galaktiku centrā. Atkal process sākotnēji bija haotisks, gāze izplūst visos virzienos, bet galu galā kļuva arvien koncentrētāka pa vismazākās pretestības ceļu.
Pašreizējā kosmoloģiskā laikmeta laikā šīs plūsmas kļūst konusa formas un plūst no galaktikas pretējiem galiem, materiālam palēninoties, jo tas atstāj galaktikas tumšās vielas halo neredzamo gravitācijas urbumu. Galu galā šis materiāls pārstāj plūst uz āru un sāk krist atpakaļ, faktiski kļūstot par galaktiskas pārstrādātas gāzes strūklaku.
Citiem vārdiem sakot, šī simulācija ir arī pirmā šāda veida parādība, kā parādīt, kā kosmiskās gāzes ģeometrija plūst ap galaktikām un nosaka to struktūras (un otrādi). Par viņu darbu Dr. Pillepičam un Dr. Nelsonam tika piešķirta 2019. gada balva “Zelta pīne”, kuru starptautiskās pētniecības kopienas locekļiem izsniedz Augstas veiktspējas datoru centrs Štutgartē, Vācijā.
Dr Nelsons un viņu kolēģi arī gatavojas atbrīvot visus TNG50 simulācijas datus astronomiskajai sabiedrībai un sabiedrībai. Tas ļaus astronomiem un pilsoņu zinātniekiem veikt simulācijas, izmantojot savus atklājumus, kas varētu ietvert arī jaunu parādību parādīšanos vai izšķirtspējas līdz ilgstošām kosmiskajām noslēpumiem.
