З середини 20 століття вчені мали досить гарне уявлення про те, яким був Всесвіт. Космічне розширення і відкриття космічного мікрохвильового фону (CMB) надали достовірності теорії великого вибуху, а прискорення швидкості розширення призвело до теорій про Темну енергію. Тим не менш, про ранній Всесвіт багато що не знають, що вимагає, щоб вони покладалися на моделювання космічної еволюції.
Це традиційно спричиняє певну проблему, оскільки обмеження в обчислювальних технологіях означають, що моделювання може бути або масштабним, або детальним, але не обом. Однак нещодавно команда вчених з Німеччини та США завершила найбільш детальне масштабне моделювання на сьогоднішній день. Цей найсучасніший моделювання, відомий як TNG50, дозволить дослідникам вивчити, як космос розвивався як у деталях, так і у великих масштабах.
TNG50 - це останнє моделювання, вироблене компанією IllustrisTNG, постійним проектом, присвяченим створенню великих, космологічних моделювань утворення галактик. Першопрохідним є те, що він уникає традиційних розпродажів з астрономами, змушеними протистояти. Коротше кажучи, детальні симуляції страждали від низьких обсягів у минулому, що ускладнювало статистичні висновки про масштабну космічну еволюцію.
З іншого боку, для великого обсягу моделювання традиційно не вистачає деталей для відтворення багатьох дрібномасштабних властивостей Всесвіту, що робить їх прогнози менш надійними. TNG50 - це перше подібне моделювання тим, що йому вдається поєднати ідею широкомасштабного моделювання - концепцію "Всесвіт у коробці" - з такою роздільною здатністю, яка раніше була можлива лише за допомогою моделювання галактики.
Це стало можливим завдяки суперкомп'ютеру Hazel Hen у Штутгарті, де 16000 ядер працювали разом протягом року - найдовший і найвитриваліший на сьогодні моделювання. Саме моделювання складається з куба простору розміром понад 230 мільйонів світлових років у діаметрі, який містить понад 20 мільярдів частинок, що представляють темну речовину, зірки, космічний газ, магнітні поля та надмасивні чорні діри (SMBHs).
TNG50 також може помітити фізичні явища, які виникають на масштабах до однієї мільйонної частини загального об'єму (тобто 230 світлових років). Це дозволяє симуляції простежити одночасну еволюцію тисяч галактик протягом 13,8 мільярдів років космічної історії. Результати їх моделювання були опубліковані у двох працях, які нещодавно з’явилися у журналі Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства.
Обидва дослідження очолили доктор Анналіса Піллепіч з Інституту астрономії Макса Планка та доктор Ділан Нельсон з Інституту астрофізики Макса Планка. Як пояснив Ділан у прес-релізі RAS:
"Чисельні експерименти подібного роду особливо успішні, коли ви виходите більше, ніж вкладаєте. У нашому моделюванні ми бачимо явища, які не були запрограмовані явно в коді симуляції. Ці явища виникають природним чином, із складної взаємодії основних фізичних інгредієнтів всесвітньої моделі. "
Крім того, TNG50 - це перше подібне моделювання до двох виникаючих явищ, які відіграють ключову роль в еволюції галактик. По-перше, дослідницька група помітила, що, оглядаючись назад у часі, з упорядкованих, швидко обертаються дискових галактик (як Чумацький Шлях) з'явилися спочатку хаотичні хмари.
Коли цей газ осідав, новонароджені зірки приймали все круговіші орбіти, врешті-решт поступаючись місцем великим спіральним галактикам. Як пояснила доктор Анналіса Піллепіч:
"На практиці TNG50 показує, що наша власна галактика Чумацький Шлях з її тонким диском знаходиться на висоті галактики: за останні 10 мільярдів років принаймні ті галактики, які все ще утворюють нові зірки, стають все більш схожими на диск, і їх хаотичні внутрішні рухи значно зменшилися. Всесвіт був набагато грізнішим, коли йому було всього кілька мільярдів років! "
Друге виникне явище з'явилося, коли галактики сплющуються в симуляції, де було видно швидкісні вітрові гази, що витікають з галактик. Це було зумовлене вибухами наднових та активністю СМБХ в основі імітованих галактик. Знову ж таки процес спочатку був хаотичним, коли газ витікав у всі сторони, але з часом ставав більш зосередженим на шляху найменшого опору.
У поточну космологічну епоху ці потоки набувають конусоподібну форму і течуть з протилежних кінців галактики, при цьому матеріал сповільнюється, залишаючи невидимий гравітаційний колодязь ореолу темної речовини галактики. Врешті-решт цей матеріал перестає витікати назовні і починає потрапляти назад, фактично перетворюючись на галактичний фонтан переробленого газу.
Іншими словами, це моделювання також є першим у своєму роді, щоб показати, як геометрія космічного газу, що обтікається навколо галактик, визначає їхні структури (і навпаки). За свою працю доктор Піллепіч та доктор Нельсон були нагороджені премією «Золотий колосок» за 2019 рік, яка видається членам міжнародної дослідницької спільноти високоефективним комп'ютерним центром у Штутгарті, Німеччина.
Доктор Нельсон та їхні колеги також планують в кінцевому підсумку випустити всі дані симуляції TNG50 для астрономічної спільноти та громадськості. Це дозволить астрономам та вченим-громадянам зробити власні відкриття з симуляції, які могли б включати додаткові приклади виникаючих космічних явищ чи резолюцій до постійних космічних таємниць.
