Formování galaxií je komplexní tanec mezi hmotou a energií, který se odehrává na jevišti kosmických rozměrů a překlenuje miliardy let. Jak rozmanitost strukturovaných a dynamických galaxií, které pozorujeme dnes, vznikla z ohnivého chaosu Velkého třesku, zůstává jednou z nejobtížnějších nevyřešených hádanek kosmologie.
Při hledání odpovědí mezinárodní tým vědců vytvořil dosud nejpodrobnější rozsáhlý model vesmíru, simulaci, kterou nazývají TNG50. Jejich virtuální vesmír, široký asi 230 milionů světelných let, obsahuje desítky tisíc vyvíjejících se galaxií s úrovněmi detailů, které byly dříve vidět pouze u modelů s jednou galaxií. Simulace sledovala více než 20 miliard částic představujících temnou hmotu, plyny, hvězdy a superhmotné černé díry v průběhu 13,8 miliard let.
Bezprecedentní rozlišení a měřítko umožnilo vědcům shromáždit klíčové vhledy do minulosti našeho vesmíru a odhalit, jak se různé podivně tvarované galaxie proměňovaly v bytí a jak hvězdné exploze a černé díry spustily tento galaktický vývoj. Jejich výsledky jsou publikovány ve dvou článcích, které se objeví v prosincovém vydání časopisu Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti z prosince 2019.
TNG50 je nejnovější simulace vytvořená projektem IllustrisTNG, který si klade za cíl vytvořit úplný obrázek o tom, jak se náš vesmír vyvíjel od Velkého třesku, a to vytvořením velkého měřítka vesmíru bez obětování jemných detailů jednotlivých galaxií.
„Tyto simulace jsou obrovské soubory dat, kde se můžeme naučit tunu pitváním a porozuměním formování a vývoji galaxií v nich,“ řekl Paul Torrey, docent fyziky na Floridské univerzitě a spoluautor studie. „Co je v TNG50 zásadně nové, je to, že se v galaxiích dostáváte k dostatečně velkému hmotovému a prostorovému rozlišení, které vám dává jasný obrázek o tom, jak vypadá vnitřní struktura systémů, jak se vytvářejí a vyvíjejí.“
Pozornost modelu na detail přichází za určitou cenu. Simulace vyžadovala 16 000 procesorových jader superpočítače Hazel Hen ve Stuttgartu v Německu a nepřetržitě běžela déle než rok. Stejný výpočet by počítal s jedním procesorovým systémem 15 000 let. Výzkumníci se domnívají, že jejich investice se vyplatila, přestože je jednou z nejvíce výpočetně těžkých astrofyzikálních simulací v historii.
„Numerické experimenty tohoto druhu jsou obzvláště úspěšné, když se dostanete ven víc, než jste uvedli,“ uvedl v prohlášení Dylan Nelson, postdoktorand z Institutu Maxe Plancka pro astrofyziku v německém Mnichově, a spoluautor studie. . "V naší simulaci vidíme jevy, které nebyly explicitně naprogramovány do simulačního kódu. Tyto jevy se objevují přirozeným způsobem, ze složité souhry základních fyzických složek našeho modelového vesmíru."
Tento vznikající jev může být nezbytný pro pochopení toho, proč se náš vesmír objevuje tak, jak je dnes 13,8 miliard let po Velkém třesku. TNG50 umožnila vědcům z první ruky vidět, jak se galaxie mohly objevit z turbulentních oblaků plynu přítomných krátce po narození vesmíru. Zjistili, že galaxie ve tvaru disku společné pro naše vesmírné okolí se přirozeně objevily v jejich simulaci a vytvořily vnitřní struktury, včetně spirálních ramen, vyboulení a tyčí vycházejících z jejich centrálních supermasivních černých děr. Když porovnali svůj počítačem generovaný vesmír s pozorováním v reálném životě, zjistili, že jejich populace galaxií byla kvalitativně v souladu s realitou.
Jak se jejich galaxie nadále splošťovaly na dobře uspořádané rotující disky, začal se objevovat další jev. Výbuchy supernovy a supermasivní černé díry v srdci každé galaxie vytvořily vysokorychlostní odtoky plynu. Tyto odtoky se proměňovaly v fontány plynu stoupající tisíce světelných let nad galaxii. Tah gravitace nakonec přivedl většinu tohoto plynu zpět na disk galaxie, přerozdělil ho na jeho vnější okraj a vytvořil zpětnou smyčku odtoku a přítoku plynu. Kromě recyklace přísad pro vytváření nových hvězd se ukázalo, že odtoky také mění strukturu jejich galaxie. Recyklované plyny urychlily přeměnu galaxií na tenké rotující disky.
Navzdory těmto počátečním zjištěním je tým zdaleka nedokončen pitváním svého modelu. Plánují také zveřejnit všechna data simulace veřejně pro astronomy z celého světa, aby mohli studovat svůj virtuální vesmír.
„Nyní máme před sebou obrovskou cestu, když máme tyto simulace dokončeny,“ řekl Torrey. "Celý tým vědců pracuje na tom, aby lépe porozuměl podrobným vlastnostem galaxií, které se formují, a tomu, jaké objevující se trendy se v těchto datech objevují."
