Komputerowa symulacja Wszechświata dała nowe wskazówki co do tego, w jaki sposób czarne dziury wpływają na rozkład ciemnej materii, jak ciężkie pierwiastki są produkowane i rozprowadzane w kosmosie oraz gdzie powstają pola magnetyczne.
Astrofizycy z MIT, Uniwersytetu Harvarda, Heidelberger Institut für Theoretische Studien (Heidelberg Institute for Theoretical Studies), Max-Planck-Institut für Astrophysik (Max-Planck Institutes for Astrophysics and Astronomy) oraz Center for Computational Astrophysics zapewnili badaczom świeże spojrzenie na tworzenie się i ewolucję galaktyk poprzez nowy model symulacji dla Wszechświata: Illustris – The Next Generation czyli IllustrisTNG.
Mark Vogelsberger, adiunkt fizyki na MIT oraz MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, pracuje nad rozwijaniem, testowaniem oraz analizą nowych symulacji IllustrisTNG. Razem z Federikiem Marinaccim i Paulem Torreyem, Vogelsberger użył modelu IllustrisTNG do badania obserwowalnych sygnatur z wielkoskalowych pól magnetycznych przenikających Wszechświat. Model wykazał, że niespokojne ruchy gorących gazów napędzają na małą skalę magnetary, które mogą w sposób wykładniczy zmieniać pola magnetyczne w jądrach galaktyk, oraz umożliwił dokładne prognozowanie obserwowanej siły tych pól magnetycznych.
Wysoka rozdzielczość modelu IllustrisTNG w połączeniu ze złożonym modelem formowania się galaktyk pozwoliła nam zbadać pola magnetyczne bardziej szczegołówo niż jakakolwiek poprzednia symulacja kosmologiczna – mówi Vogelsberger.
Projekt IllustrisTNG jest kontynuacją modelu oryginalnej symulacji Illustris, opracowanego przez ten sam zespół badawczy, który został zaktualizowany, aby uwzględnić niektóre procesy fizyczne odgrywające kluczową rolę w tworzeniu i ewolucji galaktyk.
Podobnie, jak w przypadku Illustris, projekt modeluje kawałek Wszechświata w kształcie sześcianu. Tym razem projekt odwzorowywał formowanie się milionów galaktyk w reprezentatywnym regionie Wszechświata o rozmiarach blisko miliarda lat świetlnych (cztery lata temu było to zaledwie 350 milionów lat świetlnych). Model IllustrisTNG jest największym dotychczas projektem hydrodynamicznej symulacji powstawania struktur kosmicznych – mówi Volker Springel, główny badacz IllustrisTNG i badacz pracujący na Uniwersytecie w Heidelbergu, w Heidelberg Institute for Theoretical Studies oraz Max-Planck Institute for Astrophysics.
Kosmiczna sieć gazu i gwiazd przewidziana przez IllustrisTNG tworzy galaktyki podobne w kształcie i wielkości do tych rzeczywistych. Po raz pierwszy symulacje hydrodynamiczne mogłyby bezpośrednio obliczyć szczegółowy wzór grupowania się galaktyk w przestrzeni. W porównaniu z danymi obserwacyjnymi – w tym najnowszymi przeglądami dużych galaktyk, takimi jak SDSS – IllustrisTNG wykazuje wielki stopień realizmu – mówi Springel. Ponadto symulacje przewidują, w jaki sposób kosmiczna sieć zmienia się w czasie, w szczególności w odniesieniu do szkieletu ciemnej materii kosmosu. Szczególnie fascynujące jest to, że możemy dokładnie przewidzieć wpływ supermasywnych czarnych dziur na rozkład materii na dużą skalę. Jest to kluczowe dla niezawodnej interpretacji przyszłych pomiarów kosmologicznych – mówi Springel.
W ramach projektu naukowcy opracowali wyjątkowo wydajną wersję swojego kodu AREPO i wykorzystali go na maszynie Hazel-Hen w Supercomputing Center w Stuttgarcie, najszybszym niemieckim komputerze typu mainframe. Aby obliczyć jeden z dwóch głównych przebiegów symulacji, w ciągu ponad dwóch miesięcy wykorzystano ponad 24 tysiące procesorów.
W innym badaniu Dylan Nelson z Max-Planck Institute for Astrophysics był w stanie zademonstrować istotny wpływ czarnych dziur na galaktyki. Galaktyki gwiazdotwórcze świecą jasnoniebieskim światłem swoich młodych gwiazd do czasu, aż nagłe przesunięcie ewolucyjne wygasi powstawanie gwiazd, a galaktyka zostanie zdominowana przez stare, czerwone gwiazdy i dołączy do cmentarzyska starych, wymarłych galaktyk.
Tym, co może wygasić procesy gwiazdotwórcze w dużych galaktykach eliptycznych, są supermasywne czarne dziury w ich jądrach. Bardzo szybkie wypływy z tych grawitacyjnych pułapek osiągają prędkości dochodzące do 10% prędkości światła i wpływają na olbrzymie układy gwiezdne, które są miliardy razy większe niż porównywalnie mniejsze czarne dziury – wyjaśnia Nelson.
Model IllustrisTNG pozwala również badaczom lepiej zrozumieć hierarchiczną strukturę formowania się galaktyk. Teoretycy twierdzą, że najpierw powinny powstać małe galaktyki, które następnie łączą się w coraz większe obiekty, a ich ruch jest napędzany przez nieustające przyciąganie grawitacyjne. Liczne zderzenia galaktyk dosłownie rozrywają niektóre z nich i rozpraszają ich gwiazdy na szerokich orbitach wokół nowo powstałych dużytch galaktyk, które powinny dać im słabą poświatę tła światła gwiazd. Owe przewidywane blaknące gwiezdne halo jes bardzo trudne do zaobserwowania ze względu na małą jasność powierzchniową, ale IllustrisTNG był w stanie dokładnie symulować to, czego astronomowie powinni szukać.
Więcej:
Modeling the universe
Źródło: MIT
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Na zdjęciu: Renderowanie prędkości gazu w cienkim fragmencie o grubości 100 kiloparseków, skupione na drugiej najbardziej masywnej gromadzie galaktyk w obliczeniach TNG100. Źródło: MIT
