Astrofysikere frigiver IllustrisTNG, den mest avancerede universmodel af slagsen

Nye beregningsmetoder har hjulpet med at skabe den mest informationsfyldte univers-skala-simulering, der nogensinde er produceret. Det nye værktøj giver frisk indsigt i, hvordan sorte huller påvirker fordelingen af ​​mørkt stof, hvordan tunge grundstoffer produceres og fordeles i hele kosmos, og hvor magnetiske felter stammer fra.

Ledet af hovedforsker Volker Springel ved Heidelberg Institute for Theoretical Studies, astrofysikere fra Max Planck Institutes for Astronomy (MPIA, Heidelberg) og Astrofysik (MPA, Garching), Harvard Universitet, Massachusetts Institute of Technology (MIT), og Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics (CCA) udviklede og programmerede den nye universsimuleringsmodel, døbt Illustris:The Next Generation, eller IllustrisTNG.

Modellen er den mest avancerede universsimulering af sin art, siger genert genel, en associeret forsker ved CCA, der hjalp med at udvikle og finpudse IllustrisTNG. Simuleringens detaljer og skala gør det muligt for Genel at studere, hvordan galakser dannes, udvikler sig og vokser i takt med deres stjernedannelsesaktivitet. "Når vi observerer galakser ved hjælp af et teleskop, vi kan kun måle visse mængder, " siger han. "Med simuleringen, vi kan spore alle egenskaberne for alle disse galakser. Og ikke kun hvordan galaksen ser ud nu, men hele dens dannelseshistorie." Kortlægning af de måder, galakser udvikler sig på i simuleringen giver et glimt af, hvordan vores egen Mælkevejsgalakse kunne have været, da Jorden blev dannet, og hvordan vores galakse kunne ændre sig i fremtiden, han siger.

Mark Vogelsberger, en assisterende professor i fysik ved MIT og MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, har arbejdet på at udvikle, teste og analysere de nye IllustrisTNG-simuleringer. Sammen med postdoktorale forskere Federico Marinacci og Paul Torrey, Vogelsberger har brugt IllustrisTNG til at studere de observerbare signaturer fra storskala magnetiske felter, der gennemsyrer universet.

"Den høje opløsning af IllustrisTNG kombineret med dens sofistikerede galaksedannelsesmodel gjorde det muligt for os at udforske disse spørgsmål om magnetiske felter mere detaljeret end med nogen tidligere kosmologiske simuleringer, " siger Vogelsberger, en af ​​forfatterne til de tre artikler offentliggjort i dag i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

Modellering af et (mere) realistisk univers

IllustrisTNG er en efterfølgermodel til den originale Illustris-simulering udviklet af det samme forskerhold, men det er blevet opdateret til at omfatte nogle af de fysiske processer, der spiller afgørende roller i dannelsen og udviklingen af ​​galakser.

Ligesom Illustris, projektet modellerer et terningformet univers, der er mindre end vores eget. Denne gang, projektet fulgte dannelsen af ​​millioner af galakser i et repræsentativt område af et univers med næsten 1 milliard lysår pr. side (op fra 350 millioner lysår pr. side for bare fire år siden). lllustrisTNG er det største hydrodynamiske simuleringsprojekt til dato for fremkomsten af ​​kosmiske strukturer, siger Springel, også af MPA og Heidelberg University.

Det kosmiske net af gas og mørkt stof forudsagt af IllustrisTNG producerer galakser, der ligner virkelige galakser i form og størrelse. For første gang, hydrodynamiske simuleringer kunne direkte beregne det detaljerede klyngemønster af galakser i rummet. Sammenlignet med observationsdata - såsom data leveret af den kraftfulde Sloan Digital Sky Survey - demonstrerer simuleringerne fra IllustrisTNG en høj grad af realisme, siger Springel.

Ud over, simuleringerne forudsiger, hvordan det kosmiske web ændrer sig over tid, især i forhold til det mørke stof, der ligger til grund for kosmos. "Det er særligt fascinerende, at vi nøjagtigt kan forudsige indflydelsen af ​​supermassive sorte huller på fordelingen af ​​stof ud i store skalaer, " siger Springel. "Dette er afgørende for pålidelig fortolkning af kommende kosmologiske målinger."

Astrofysik via kode og supercomputere

Til projektet, forskerne udviklede en særlig kraftfuld version af deres meget parallelle bevægelige mesh-kode AREPO og brugte den på Hazel Hen-maskinen, Tysklands hurtigste mainframe-computer, på High Performance Computing Center Stuttgart. For at beregne en af ​​de to hovedsimuleringskørsler, holdet beskæftigede mere end 24, 000 processorer i løbet af mere end to måneder. "The new simulations produced more than 500 terabytes of simulation data, " says Springel. "Analyzing this huge mountain of data will keep us busy for years to come, and it promises many exciting new insights into different astrophysical processes."

Supermassive black holes squelch star formation

I en anden undersøgelse, Dylan Nelson, a researcher at MPA, was able to demonstrate the impact of black holes on galaxies. Star-forming galaxies shine brightly in the blue light of their young stars until a sudden evolutionary shift halts the star formation, so that the galaxy becomes dominated by old, red stars and joins a graveyard full of old and dead galaxies.

"The only physical entity capable of extinguishing the star formation in our large elliptical galaxies are the supermassive black holes at their centers, " explains Nelson. "The ultrafast outflows of these gravity traps reach velocities up to 10 percent of the speed of light and affect giant stellar systems that are billions of times larger than the comparably small black hole itself."

New findings for galaxy structure

IllustrisTNG also improves our understanding of the hierarchical structure of galaxy formation. Theorists argue that small galaxies should form first and then merge into ever-larger objects, driven by the relentless pull of gravity. The numerous galaxy collisions literally tear some galaxies apart and scatter their stars into wide orbits around the newly created large galaxies, which should give the galaxies a faint background glow of stellar light. These predicted pale stellar halos are very difficult to observe due to their low surface brightness, but IllustrisTNG was able to simulate exactly what astronomers should be looking for.

"Our predictions can now be systematically checked by observers, " says Annalisa Pillepich, a researcher at MPIA, who led a further IllustrisTNG study. "This yields a critical test for the theoretical model of hierarchical galaxy formation."