Nuo XX amžiaus vidurio mokslininkai turėjo gana gerą idėją, kaip atsirado Visata. Kosminė plėtra ir kosminio mikrobangų fono (CMB) atradimas suteikė patikimumo Didžiojo sprogimo teorijai, o spartėjantis plėtros tempas paskatino teorijas apie tamsiąją energiją. Vis dėlto daug apie ankstyvąją visatą, kurios mokslininkai vis dar nežino, todėl reikia remtis kosminės evoliucijos modeliavimu.
Tai tradiciškai kėlė šiek tiek problemų, nes skaičiavimo apribojimai reiškė, kad modeliavimas gali būti didelio masto arba išsamus, bet ne abu. Tačiau mokslininkų komanda iš Vokietijos ir JAV neseniai baigė iki šiol išsamiausią didelio masto modeliavimą. Šis moderniausias modeliavimas, žinomas kaip TNG50, leis tyrėjams ištirti, kaip vystėsi kosmosas tiek detaliai, tiek dideliu mastu.
TNG50 yra naujausias imitacija, kurią sukūrė „IllustrisTNG“, tęstinis projektas, skirtas sukurti didelius, kosmologinius galaktikų formavimosi modelius. Tai novatoriška tuo, kad išvengiama tradicinių kompromisų, su kuriais astronomai yra priversti kovoti. Trumpai tariant, išsamūs modeliai praeityje patyrė nedidelį tūrį, dėl kurio buvo sunku atlikti statistinius išvedimus apie plataus masto kosminę evoliuciją.
Kita vertus, didelės apimties modeliavimui paprastai trūksta detalių, kad būtų galima atkurti daugelį Visatos savybių, todėl jų prognozės yra mažiau patikimos. TNG50 yra pirmasis tokio pobūdžio modeliavimas, nes jis sugeba suderinti didelio masto modeliavimo idėją - „Visatos dėžutėje“ idėją - su tokia skiriamąja geba, kokia anksčiau buvo įmanoma tik atliekant galaktikų modeliavimą.
Tai padaryti leido Štutgarto superkompiuteris „Hazel Hen“, kuriame daugiau nei metus kartu dirbo 16 000 branduolių - ilgiausias ir daugiausiai resursų reikalaujantis modeliavimas. Pats modeliavimas susideda iš daugiau kaip 230 milijonų šviesmečių skersmens kosmoso kubo, kuriame yra daugiau kaip 20 milijardų dalelių, vaizduojančių tamsiąją medžiagą, žvaigždes, kosmines dujas, magnetinius laukus ir supermasyviąsias juodąsias skyles (SMBH).
TNG50 taip pat gali pastebėti fizinius reiškinius, kurie vyksta skalėse iki vienos milijono bendro tūrio (t. Y. 230 šviesmečių). Tai leidžia modeliavimui atsekti tuo pat metu vykstančią tūkstančių galaktikų evoliuciją per 13,8 milijardo kosminės istorijos metų. Jų modeliavimo rezultatai buvo paskelbti dviejuose straipsniuose, kurie neseniai pasirodė žurnale Mėnesiniai Karališkosios astronomijos draugijos pranešimai.
Abiem tyrimams vadovavo dr. Annalisa Pillepich iš Makso Planko astronomijos instituto ir dr. Dilanas Nelsonas iš Makso Plancko astrofizikos instituto. Kaip Dylanas paaiškino RAS pranešime spaudai:
„Skaitmeniniai tokio pobūdžio eksperimentai yra ypač sėkmingi, kai jūs išeinate daugiau, nei įdėjote. Savo modeliavime matome reiškinius, kurie nebuvo aiškiai užprogramuoti į modeliavimo kodą. Šie reiškiniai iškyla natūraliai, sudėtingai kertant mūsų modelio visatos pagrindinius fizinius komponentus. “
Be to, TNG50 yra pirmasis tokio pobūdžio modeliavimas dviem kylančiais reiškiniais, kurie vaidina pagrindinį vaidmenį galaktikų evoliucijoje. Pirmiausia, tyrimo komanda pastebėjo, kad, žiūrint į laiką, tos tvarkingos, greitai besisukančios disko galaktikos (kaip Pieno kelias) atsirado iš pradžių chaotiškų dujų debesų.
Kai šios dujos nusistovėjo, naujagimių žvaigždės skriejo vis sukamaisiais orbitais, galiausiai užleisdamos kelią didelėms spiralinėms galaktikoms. Kaip paaiškino dr. Annalisa Pillepich:
„Praktikoje TNG50 parodo, kad mūsų pačių Paukščių Tako galaktika su savo plonu disku yra galaktikos mados viršūnėje: per pastaruosius 10 milijardų metų bent jau tos galaktikos, kurios vis dar formuoja naujas žvaigždes, tapo vis labiau panašios į diską, ir jų chaotiški vidiniai judesiai žymiai sumažėjo. Visata buvo daug nepatogesnė, kai jai buvo vos keli milijardai metų! “
Antrasis iškilęs reiškinys paaiškėjo, kai modeliavimosi metu išsiplėtė galaktikos, kai iš galaktikų matėsi greitas dujų vėjas. Tai lėmė supernovų sprogimai ir SMBH aktyvumas, imituojamų galaktikų centre. Vėlgi, procesas iš pradžių buvo chaotiškas, kai dujos tekėjo į visas puses, tačiau ilgainiui vis labiau susitelkė ties mažiausio pasipriešinimo keliu.
Pagal dabartinę kosmologinę epochą šie srautai tampa kūgio formos ir teka iš priešingų galaktikos galų, o medžiaga sulėtėja, nes palieka galaktikos tamsiųjų medžiagų halogenų nematomą gravitacijos šulinį. Galiausiai ši medžiaga nustoja tekėti į išorę ir pradeda kristi atgal, faktiškai tapdama galaktikos perdirbtų dujų fontanu.
Kitaip tariant, šis modeliavimas taip pat yra pirmasis tokio pobūdžio pavyzdys, parodantis, kaip kosminių dujų srautas aplink galaktikas lemia jų struktūras (ir atvirkščiai). Už savo darbą dr. Pillepichas ir Dr. Nelsonas buvo apdovanoti 2019 m. „Auksinio smaigalio“ apdovanojimu, kurį tarptautinės mokslinių tyrimų bendruomenės nariams skiria Aukštos kokybės kompiuterių centras Štutgarte, Vokietijoje.
Dr Nelsonas ir jų kolegos taip pat planuoja galutinai išleisti visus TNG50 modeliavimo duomenis astronomijos bendruomenei ir visuomenei. Tai leis astronomams ir mokslininkams piliečiams pasidaryti savo atradimus iš modeliavimo, kuriame galėtų būti papildomų atsiradusių kosminių reiškinių ar rezoliucijų pavyzdžių iki ištvermingų kosminių paslapčių.
