От средата на 20 век учените имат доста добра представа за това как е била Вселената. Космическото разширяване и откриването на космическия микровълнов фон (CMB) даде доверие на теорията за Големия взрив, а ускоряващият се темп на разрастване доведе до теории за тъмната енергия. Все пак има много неща за ранната Вселена, които учените все още не познават, което изисква те да разчитат на симулации за космическата еволюция.
Това традиционно създава известен проблем, тъй като ограниченията в изчислителната техника означават, че симулацията може да бъде или мащабна или подробна, но не и двете. Екип от учени от Германия и САЩ обаче наскоро завърши най-подробната мащабна симулация до момента. Известна като TNG50, тази най-съвременна симулация ще позволи на изследователите да проучат как се е развил Космосът както в детайли, така и в голям мащаб.
TNG50 е най-новата симулация, произведена от IllustrisTNG, текущ проект, посветен на създаването на големи, космологични симулации на формиране на галактики. Основно е, че избягва традиционните търговски астрономи, които са принудени да се борят. Накратко, подробни симулации страдаха от нисък обем в миналото, което затрудни статистическите изводи за мащабната космическа еволюция.
Симулациите с голям обем, от друга страна, традиционно липсват детайлите, за да възпроизведат много от дребномащабните свойства на тази на Вселената, което прави прогнозите им по-малко надеждни. TNG50 е първата подобна симулация, тъй като успява да комбинира идеята за мащабни симулации - концепцията „Вселената в кутия“ - с вида резолюция, която преди беше възможна само с галактически симулации.
Това стана възможно от суперкомпютъра Hazel Hen в Щутгарт, където 16 000 ядра работеха заедно повече от една година - най-дългата и най-интензивната симулация до момента. Самата симулация се състои от куб пространство, измерващ диаметър над 230 милиона светлинни години, който съдържа повече от 20 милиарда частици, представляващи тъмна материя, звезди, космически газ, магнитни полета и свръхмасивни черни дупки (SMBHs).
TNG50 може също да различи физически явления, които се появяват на везни до една милионна част от общия обем (т.е. 230 светлинни години). Това позволява симулацията да проследи едновременното развитие на хиляди галактики в течение на 13,8 милиарда години космическа история. Резултатите от тяхната симулация бяха публикувани в два документа, които наскоро се появиха в списанието Месечни известия на Кралското астрономическо дружество.
И двете проучвания бяха ръководени от д-р Аналиса Пиллепич от Института за астрономия Макс Планк и д-р Дилън Нелсън от Института за астрофизика Макс Планк. Както Дилън обясни в прессъобщение на RAS:
„Числените експерименти от този вид са особено успешни, когато извадите повече, отколкото влагате. В нашата симулация виждаме явления, които не са били програмирани изрично в симулационния код. Тези явления възникват по естествен начин, от сложното взаимодействие на основните физически съставки на нашата моделна вселена. "
В допълнение, TNG50 е първата подобна симулация на две възникващи явления, които играят ключова роля в еволюцията на галактиките. Първо, изследователският екип забеляза, че като погледнаха назад във времето, тези подредени, бързо въртящи се дискови галактики (като Млечния път) се появиха от първоначално хаотични облаци газ.
Докато този газ се заселва, новородените звезди приемат все по-кръгли орбити, в крайна сметка отстъпвайки на големи спирални галактики. Както обясни д-р Аналиса Пилепич:
„На практика TNG50 показва, че нашата собствена галактика Млечен път с тънкия й диск е в разгара на галактиката: през последните 10 милиарда години поне тези галактики, които все още образуват нови звезди, стават все по-подобни на дискове, и хаотичните им вътрешни движения намаляха значително. Вселената беше много по-мека, когато беше само на няколко милиарда години! ”
Вторият възникнал феномен се появи, когато галактиките се изравняват в симулацията, където се виждаха високоскоростни ветрове от газ, изтичащи от галактиките. Това беше обусловено от експлозии на свръхнови и активност от SMBHs в сърцето на симулираните галактики. Отново процесът първоначално е хаотичен, като газът се стича във всички посоки, но в крайна сметка става все по-фокусиран по път с най-малко съпротивление.
Към настоящата космологична епоха тези потоци придобиват конусовидна форма и текат от противоположните краища на галактиката, като материалът се забавя, като оставя невидимата гравитационна ямка на ореола на тъмната материя на галактиката. В крайна сметка този материал спира да изтича навън и започва да пада обратно, като на практика се превръща в галактически извор на рециклиран газ.
С други думи, тази симулация е и първата по рода си, която показва как геометрията на космическия газ, поточен около галактиките, определя техните структури (и обратно). За своята работа д-р Пиллепич и д-р Нелсън бяха наградени с наградата „Златен спайк“ за 2019 г., която се издава на членове на международната изследователска общност от Компютърния център с висока производителност в Щутгарт, Германия.
Д-р Нелсън и техните колеги също са готови да издадат всички данни за симулацията на TNG50 на астрономическата общност и на обществеността. Това ще позволи на астрономите и гражданските учени да направят свои собствени открития от симулацията, които биха могли да включват допълнителни примери за възникващи космически явления или резолюции към трайните космически мистерии.
