Galaktiske springvand og karruseller:orden, der kommer ud af kaos

Forskere fra Tyskland og USA har afsløret resultaterne af en nyligt afsluttet, topmoderne simulering af galaksernes udvikling. TNG50 er den mest detaljerede storskala kosmologiske simulering endnu. Det giver forskere mulighed for at studere i detaljer, hvordan galakser dannes, og hvordan de har udviklet sig siden kort efter Big Bang. For første gang, den afslører, at geometrien af ​​de kosmiske gasstrømme omkring galakser bestemmer galaksernes strukturer, og omvendt. Forskerne offentliggør deres resultater i to artikler i tidsskriftet Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

Astronomer, der kører kosmologiske simuleringer, står over for en fundamental afvejning:med begrænset computerkraft, typiske simuleringer hidtil har enten været meget detaljerede eller har spændt over en stor mængde virtuelt rum, men har indtil videre ikke kunnet begge dele. Detaljerede simuleringer med begrænsede volumener kan ikke modellere mere end et par galakser, gør statistiske fradrag vanskelige. Simuleringer i store mængder, på tur, mangler typisk de detaljer, der er nødvendige for at gengive mange af de egenskaber i lille skala, vi observerer i vores eget univers, reducere deres forudsigelsesevne.

TNG50 simuleringen, som netop er blevet offentliggjort, formår at undgå denne afvejning. For første gang, den kombinerer ideen om en storstilet kosmologisk simulering – et univers i en boks – med den beregningsmæssige opløsning af "zoom"-simuleringer, på et detaljeringsniveau, der tidligere kun havde været muligt for studier af individuelle galakser.

I en simuleret rumterning, der er mere end 230 millioner lysår på tværs, TNG50 kan skelne fysiske fænomener, der opstår på skalaer en million gange mindre, sporer den samtidige udvikling af tusindvis af galakser over 13,8 milliarder års kosmisk historie. Det gør det med mere end 20 milliarder partikler, der repræsenterer mørkt (usynligt) stof, stjerner, kosmisk gas, magnetiske felter, og supermassive sorte huller. Selve beregningen krævede 16, 000 kerner på Hazel Hen-supercomputeren i Stuttgart, arbejde sammen, 24/7, i mere end et år - hvad der svarer til femten tusinde år på en enkelt processor, gør det til en af ​​de mest krævende astrofysiske beregninger til dato.

De første videnskabelige resultater fra TNG50 er offentliggjort af et hold ledet af Dr. Annalisa Pillepich (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg) og Dr. Dylan Nelson (Max Planck Institute for Astrophysics, Garching) og afslører uforudsete fysiske fænomener. Ifølge Nelson:"Numeriske eksperimenter af denne art er særligt vellykkede, når du kommer mere ud, end du putter i. I vores simulering, vi ser fænomener, der ikke var blevet programmeret eksplicit ind i simuleringskoden. Disse fænomener opstår på en naturlig måde, fra det komplekse samspil mellem de grundlæggende fysiske ingredienser i vores modelunivers."

TNG50 har to fremtrædende eksempler på denne form for emergent adfærd. Den første vedrører dannelsen af ​​"skive"-galakser som vores egen Mælkevej. Ved at bruge simuleringen som en tidsmaskine til at spole udviklingen af ​​kosmisk struktur tilbage, forskere har set, hvordan de velordnede, hurtigt roterende skivegalakser (som er almindelige i vores nærliggende univers) dukker op fra kaotiske, uorganiseret, og meget turbulente gasskyer i tidligere epoker.

Når gassen sætter sig, nyfødte stjerner findes typisk på flere og flere cirkulære baner, til sidst danner store spiralgalakser - galaktiske karruseller. Annalisa Pillepich forklarer:"I praksis, TNG50 viser, at vores egen Mælkevejsgalakse med sin tynde skive er på højden af ​​galaksemoden:i løbet af de sidste 10 milliarder år, i det mindste er de galakser, der stadig danner nye stjerner, blevet mere og mere disk-lignende, og deres kaotiske indre bevægelser er faldet betydeligt. Universet var meget mere rodet, da det kun var et par milliarder år gammelt!"

Når disse galakser flades ud, forskere fandt et andet opstået fænomen, involverer højhastighedsudstrømning og vinde af gas, der strømmer ud af galakser. Dette blev lanceret som et resultat af eksplosioner af massive stjerner (supernovaer) og aktivitet fra supermassive sorte huller fundet i hjertet af galakser. Galaktiske gasudstrømninger er i starten også kaotiske og flyder væk i alle retninger, men med tiden, de begynder at blive mere fokuserede langs en vej med mindst modstand.

I det sene univers, strømmer ud af galakser i form af to kegler, dukker op i modsatte retninger - som to iskopper placeret spids mod spids, med galaksen hvirvlende i centrum. Disse materialestrømme bremses, når de forsøger at forlade gravitationsbrønden i galaksens glorie af usynligt – eller mørkt – stof, og kan til sidst gå i stå og falde tilbage, danner en galaktisk fontæne af genbrugsgas. Denne proces omfordeler gas fra centrum af en galakse til dens udkant, yderligere accelererer transformationen af ​​selve galaksen til en tynd skive:galaktisk struktur former galaktiske springvand, og omvendt.

Holdet af videnskabsmænd, der skaber TNG50 (baseret på Max-Planck-Institutes i Garching og Heidelberg, Harvard Universitet, MIT, og Center for Computational Astrophysics (CCA) vil med tiden frigive alle simuleringsdata til astronomisamfundet som helhed, såvel som til offentligheden. Dette vil give astronomer over hele verden mulighed for at gøre deres egne opdagelser i TNG50-universet - og muligvis finde yderligere eksempler på nye kosmiske fænomener, orden på vej ud af kaos.