Galaktikų formavimasis yra sudėtingas materijos ir energijos šokis, vykstantis kosminių proporcijų scenoje ir trunkantis milijardus metų. Tai, kaip struktūrizuotų ir dinamiškų galaktikų įvairovė, kurią mes stebime šiandien, kilo dėl ugningo Didžiojo sprogimo chaoso, išlieka viena iš sunkiausiai neišspręstų kosmologijos galvosūkių.
Ieškodama atsakymų, tarptautinė mokslininkų komanda sukūrė iki šiol išsamiausią didelės apimties visatos modelį, kurį jie vadina TNG50. Jų virtualioje visatoje, kurios plotis yra apie 230 milijonų šviesmečių, yra dešimtys tūkstančių besivystančių galaktikų, kurių detalumo lygis anksčiau buvo matomas tik vienos galaktikos modeliuose. Modeliavimas apėmė daugiau nei 20 milijardų dalelių, vaizduojančių tamsiąją medžiagą, dujas, žvaigždes ir supermasyvias juodąsias skyles per 13,8 milijardo metų.
Beprecedentė raiška ir mastas leido tyrėjams surinkti pagrindines įžvalgas apie mūsų pačių visatos praeitį, atskleisdami, kaip įvairios keistai suplanuotos galaktikos save prigijo ir kaip žvaigždžių sprogimai ir juodosios skylės sukėlė šią galaktikos evoliuciją. Jų rezultatai paskelbti dviejuose straipsniuose, kurie bus paskelbti 2019 m. Gruodžio mėn. Žurnalo „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ numeryje.
TNG50 yra naujausias „IllustrisTNG“ projekto sukurtas modeliavimas, kurio tikslas yra susidaryti išsamų vaizdą apie tai, kaip mūsų visata vystėsi nuo Didžiojo sprogimo, sukuriant didelio masto visatą, neprarandant smulkių atskirų galaktikų detalių.
„Šie modeliavimai yra didžiuliai duomenų rinkiniai, iš kurių galime išmokti toną, išskaidydami ir supratdami galaktikų susidarymą ir evoliuciją jose“, - teigė Paulas Torrey, Floridos universiteto fizikos docentas ir tyrimo bendraautorius. "Iš esmės naujovė TNG50 yra tai, kad galaktikose pasiekiate pakankamai didelę masę ir erdvinę skiriamąją gebą, kuri suteikia aiškų vaizdą apie tai, kaip atrodo vidinė sistemų struktūra, kai jos formuojasi ir vystosi".
Modelio dėmesys detalėms kainuoja šiek tiek. Modeliavimui reikėjo 16 000 superkompiuterio „Hazel Hen“ procesorių, esančių Štutgarte, Vokietijoje, nepertraukiamai veikiantiems daugiau nei metus. Tas pats skaičiavimas užtruktų 15 000 metų vieno procesoriaus sistemą. Nepaisant vieno iš skaičiavimo požiūriu sunkiausių astrofizinių modelių istorijoje, tyrinėtojai mano, kad jų investicijos atsipirko.
„Skaitmeniniai tokio pobūdžio eksperimentai yra ypač sėkmingi, kai išeinate daugiau, nei įdėjote“, - teigiama Dylan Nelson, Miuncheno (Vokietija) Max Plancko astrofizikos instituto podoktorantūros tyrime dalyvavusiam tyrimui ir tyrimo bendraautoriui. . "Savo modeliavime mes matome reiškinius, kurie nebuvo aiškiai užprogramuoti į modeliavimo kodą. Šie reiškiniai iškyla natūraliai, sudėtingoje mūsų modelio visatos pagrindinių fizinių sudedamųjų dalių sąveikoje."
Šis iškilęs reiškinys gali būti būtinas norint suprasti, kodėl mūsų visata atrodo tokia, kokia ji yra šiandien 13,8 milijardo metų po Didžiojo sprogimo. TNG50 leido tyrėjams iš anksto pamatyti, kaip galaktikos galėjo iškilti iš neramių dujų debesų, esančių netrukus po Visatos gimimo. Jie atrado, kad disko formos galaktikos, būdingos mūsų kosminei kaimynystei, natūraliai atsirado jų modeliavimo metu ir išgavo vidines struktūras, įskaitant spiralines svirtis, iškilumus ir strypus, išsikišančius iš centrinių supermasyvių juodųjų skylių. Palyginę savo kompiuterio sukurtą visatą su realaus gyvenimo stebėjimais, jie nustatė, kad jų galaktikų populiacija kokybiškai atitiko tikrovę.
Jų galaktikoms plečiantis į gerai sutvarkytus besisukančius diskus, ėmė ryškėti kitas reiškinys. Supernovos sprogimai ir didžiulės juodosios skylės kiekvienos galaktikos širdyje sukėlė greitą dujų nutekėjimą. Šie srautai nukreipti į dujų fontanus, kylančius tūkstančius šviesmečių virš galaktikos. Sunkio jėgos vilkikas ilgainiui grąžino didžiąją dalį šių dujų į galaktikos diską, perskirstydamas jas į išorinį kraštą ir sukurdamas grįžtamąją dujų nutekėjimo ir įtekėjimo kilpą. Be to, kad buvo perdirbti ingredientai naujoms žvaigždėms formuoti, taip pat buvo įrodyta, kad nutekėjimai keičia jų galaktikų struktūrą. Perdirbtos dujos paspartino galaktikų virsmą plonais besisukančiais diskais.
Nepaisant šių pradinių išvadų, komanda dar toli gražu nesibaigia išsiaiškinusi savo modelį. Jie taip pat planuoja viešai paskelbti visus modeliavimo duomenis astronomams visame pasaulyje, kad galėtų ištirti jų virtualųjį kosmosą.
„Prieš atlikdami šiuos modeliavimus, mūsų laukia didelis kelias“, - sakė Torrey. "Visa tyrinėtojų komanda dirba tam, kad geriau suprastų susidariusių galaktikų išsamias savybes ir tai, kokios tendencijos pasireiškia tuose duomenyse."
