La formazione di galassie è una danza complessa tra materia ed energia, avvenuta su uno stadio di proporzioni cosmiche e che abbraccia miliardi di anni. Come la diversità delle galassie strutturate e dinamiche che osserviamo oggi sia sorta dal caos infuocato del Big Bang rimane uno dei più difficili enigmi irrisolti della cosmologia.
Alla ricerca di risposte, un team internazionale di scienziati ha creato fino ad oggi il modello su larga scala più dettagliato dell'universo, una simulazione che chiamano TNG50. Il loro universo virtuale, largo circa 230 milioni di anni luce, contiene decine di migliaia di galassie in evoluzione con livelli di dettaglio precedentemente visti solo in modelli a galassia singola. La simulazione ha tracciato oltre 20 miliardi di particelle che rappresentano materia oscura, gas, stelle e buchi neri supermassicci, per un periodo di 13,8 miliardi di anni.
La risoluzione e la scala senza precedenti hanno permesso ai ricercatori di raccogliere approfondimenti chiave sul passato del nostro universo, rivelando come varie galassie stranamente modellate si sono trasformate in essere e come esplosioni stellari e buchi neri hanno innescato questa evoluzione galattica. I loro risultati sono pubblicati in due articoli che saranno pubblicati nel numero di dicembre 2019 della rivista Monthly Avvisi della Royal Astronomical Society.
TNG50 è l'ultima simulazione creata dal Progetto IllustrisTNG, che mira a costruire un quadro completo di come il nostro universo si è evoluto dal Big Bang producendo un universo su larga scala senza sacrificare i dettagli delle singole galassie.
"Queste simulazioni sono enormi set di dati in cui possiamo imparare un sacco dissezionando e comprendendo la formazione e l'evoluzione delle galassie al loro interno", ha affermato Paul Torrey, professore associato di fisica presso l'Università della Florida e coautore dello studio. "La novità fondamentale di TNG50 è che stai raggiungendo una risoluzione spaziale e di massa sufficientemente elevata all'interno delle galassie che ti dà un quadro chiaro di come appare la struttura interna dei sistemi mentre si formano e si evolvono."
L'attenzione ai dettagli del modello ha un costo. La simulazione ha richiesto 16.000 core di processore del supercomputer Hazel Hen a Stoccarda, in Germania, in esecuzione continua per oltre un anno. Lo stesso calcolo richiederebbe un singolo sistema di elaborazione 15.000 anni per il calcolo. Nonostante sia una delle simulazioni astrofisiche più computazionalmente pesanti della storia, i ricercatori ritengono che il loro investimento sia stato ripagato.
"Esperimenti numerici di questo tipo hanno particolarmente successo quando ne esci più di quanto hai fatto", ha detto in una nota Dylan Nelson, borsista post-dottorato presso il Max Planck Institute for Astrophysics di Monaco, in Germania, e coautore dello studio . "Nella nostra simulazione, vediamo fenomeni che non erano stati programmati esplicitamente nel codice di simulazione. Questi fenomeni emergono in modo naturale, dalla complessa interazione degli ingredienti fisici di base del nostro universo modello."
Quel fenomeno emergente potrebbe essere essenziale per capire perché il nostro universo appare com'è oggi 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang. TNG50 ha permesso ai ricercatori di vedere in prima persona come le galassie potrebbero essere emerse dalle turbolente nuvole di gas presenti poco dopo la nascita dell'universo. Hanno scoperto che le galassie a forma di disco comuni al nostro vicinato cosmico sono emerse naturalmente all'interno della loro simulazione e hanno prodotto strutture interne, inclusi bracci a spirale, rigonfiamenti e barre che si estendono dai loro buchi neri supermassicci centrali. Quando hanno confrontato il loro universo generato dal computer con le osservazioni della vita reale, hanno scoperto che la loro popolazione di galassie era qualitativamente coerente con la realtà.
Mentre le loro galassie continuavano ad appiattirsi in dischi rotanti ben ordinati, cominciò a emergere un altro fenomeno. Esplosioni di supernova e buchi neri supermassicci nel cuore di ogni galassia hanno creato deflussi di gas ad alta velocità. Questi deflussi si trasformarono in fontane di gas che si innalzavano migliaia di anni luce sopra una galassia. Il tiro alla fune alla fine riportò gran parte di questo gas sul disco della galassia, ridistribuendolo sul suo bordo esterno e creando un circuito di feedback di deflusso e afflusso di gas. Oltre a riciclare gli ingredienti per formare nuove stelle, i deflussi hanno anche mostrato di cambiare la struttura della loro galassia. I gas riciclati hanno accelerato la trasformazione delle galassie in sottili dischi rotanti.
Nonostante questi risultati iniziali, il team è lungi dall'essere finito di sezionare il loro modello. Hanno anche in programma di rilasciare pubblicamente tutti i dati della simulazione affinché gli astronomi di tutto il mondo possano studiare il loro cosmo virtuale.
"C'è una strada enorme davanti a noi ora che abbiamo completato queste simulazioni", ha detto Torrey. "Un intero team di ricercatori sta lavorando per comprendere meglio le proprietà dettagliate delle galassie che si formano e quali tendenze emergenti si manifestano in quei dati."
