Od poloviny 20. století měli vědci docela dobrou představu o tom, jak vznikl vesmír. Kosmická expanze a objev Kosmického mikrovlnného pozadí (CMB) propůjčily věrohodnosti teorii velkého třesku a zrychlující se expanze vedla k teoriím o temné energii. Stále existuje mnoho o raných vesmírech, které vědci stále neví, což vyžaduje, aby se spoléhali na simulace kosmického vývoje.
To tradičně představovalo trochu problém, protože omezení práce na počítači znamenala, že simulace mohla být buď ve velkém měřítku nebo podrobná, ale ne obojí. Tým vědců z Německa a Spojených států však nedávno dokončil nejpodrobnější rozsáhlou simulaci dosud. Tato nejmodernější simulace, známá jako TNG50, umožní vědcům studovat, jak se vesmír vyvíjel detailně a ve velkém měřítku.
TNG50 je nejnovější simulace produkovaná IllustrisTNG, probíhajícím projektem zaměřeným na vytváření velkých kosmologických simulací tvorby galaxií. Je průkopnické v tom, že se vyhýbá tradičním kompromisním astronomům, s nimiž jsou nuceni se potýkat. Stručně řečeno, podrobné simulace v minulosti trpěly nízkým objemem, což komplikovalo statistické dedukce o vesmírném vývoji ve velkém měřítku.
Naproti tomu velkoobjemové simulace tradičně postrádají detail, aby reprodukovaly mnoho vlastností malého měřítka jako vesmír, což snižuje jejich spolehlivost předpovědí. TNG50 je první simulací svého druhu v tom, že dokáže kombinovat myšlenku rozsáhlých simulací - koncept „Universe in a box“ - s takovým rozlišením, jaké bylo dříve možné pouze při simulacích galaxií.
To bylo umožněno superpočítačem Hazel Hen ve Stuttgartu, kde 16 000 jader pracovalo společně déle než rok - dosud nejdelší a nejnáročnější simulace. Samotná simulace sestává z krychle prostoru měřící průměr více než 230 milionů světelných let, která obsahuje více než 20 miliard částic představujících temnou hmotu, hvězdy, kosmický plyn, magnetická pole a superhmotné černé díry (SMBH).
TNG50 může také rozeznat fyzikální jevy, které se vyskytují v měřítcích až na jednu miliontinu celkového objemu (tj. 230 světelných let). To umožňuje simulaci sledovat současný vývoj tisíců galaxií v průběhu 13,8 miliard let kosmické historie. Výsledky jejich simulace byly publikovány ve dvou článcích, které se nedávno objevily v časopise Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.
Obě studie vedly Dr. Annalisa Pillepich z Astronomického institutu Maxe Plancka a Dr. Dylan Nelson z Astrofyzického institutu Maxe Plancka. Jak vysvětlil Dylan v tiskové zprávě RAS:
„Numerické experimenty tohoto druhu jsou zvláště úspěšné, když se dostanete ven víc, než jste uvedli. V naší simulaci vidíme jevy, které nebyly explicitně naprogramovány do simulačního kódu. Tyto jevy se objevují přirozeným způsobem z komplexní souhry základních fyzických složek našeho modelového vesmíru. “
Kromě toho je TNG50 první simulací svého druhu na dva vznikající jevy, které hrají klíčovou roli ve vývoji galaxií. Nejprve si výzkumný tým všiml, že když se ohlédli zpět v čase, z řádově chaotických oblaků plynu se vynořily uspořádané, rychle se otáčející diskové galaxie (jako Mléčná dráha).
Když se tento plyn usadil, novorozené hvězdy si osvojily stále větší oběžnou dráhu a nakonec ustoupily velkým spirálovým galaxiím. Jak vysvětlila Dr. Annalisa Pillepich:
„V praxi ukazuje TNG50, že naše vlastní galaxie Mléčná dráha s tenkým diskem je na vrcholu galaxie: v posledních 10 miliardách let se alespoň ty galaxie, které stále vytvářejí nové hvězdy, staly stále více diskovitějšími, a jejich chaotické vnitřní pohyby se výrazně snížily. Vesmír byl mnohem posměšnější, když mu bylo jen pár miliard let! “
Druhý vznikající fenomén se objevil, když se v simulaci zploštěly galaxie, kde z galaxií proudily vysokorychlostní větry plynu. Toto bylo řízeno explozemi supernov a aktivitou od SMBH v srdci simulovaných galaxií. Opět byl proces zpočátku chaotický s plynem vytékajícím ve všech směrech, ale nakonec se více soustředil podél cesty nejmenšího odporu.
Podle současné kosmologické epochy se tyto toky stanou kuželovitými a protékají z opačných konců galaxie, přičemž se materiál zpomaluje, protože zanechává neviditelnou studnu temné hmoty temné hmoty galaxie. Nakonec tento materiál přestane vytékat ven a začíná klesat dovnitř, čímž se stává galaktickou fontánou recyklovaného plynu.
Jinými slovy, tato simulace je také první svého druhu, která ukázala, jak geometrie kosmického plynu proudícího kolem galaxií určuje jejich strukturu (a naopak). Za svou práci získali dr. Pillepich a Dr. Nelson cenu Golden Spike 2019, kterou uděluje členům mezinárodní výzkumné komunity High-Performance Computer Center ve německém Stuttgartu.
Dr. Nelson a jejich kolegové také závodí, aby nakonec uvolnili veškerá simulační data TNG50 astronomické komunitě a veřejnosti. To umožní astronomům a občanským vědcům vytvářet vlastní objevy ze simulace, které by mohly zahrnovat další příklady vznikajících kosmických jevů nebo rozhodnutí k přetrvávajícím kosmickým mystériím.
