Dalla metà del 20 ° secolo, gli scienziati hanno avuto una buona idea di come l'Universo è diventato. L'espansione cosmica e la scoperta del Cosmic Microwave Background (CMB) hanno conferito credibilità alla teoria del Big Bang e il tasso di espansione accelerato ha portato a teorie sull'energia oscura. Tuttavia, c'è molto nell'universo primordiale che gli scienziati ancora non sanno, il che richiede che si basino su simulazioni sull'evoluzione cosmica.
Questo ha tradizionalmente posto un po 'un problema dato che i limiti dell'informatica significavano che la simulazione poteva essere su larga scala o dettagliata, ma non entrambe. Tuttavia, un team di scienziati tedeschi e statunitensi ha recentemente completato la simulazione su larga scala più dettagliata fino ad oggi. Conosciuta come TNG50, questa simulazione all'avanguardia consentirà ai ricercatori di studiare come il cosmo si è evoluto in dettaglio e su larga scala.
TNG50 è l'ultima simulazione prodotta da IllustrisTNG, un progetto in corso dedicato alla creazione di grandi simulazioni cosmologiche della formazione di galassie. È rivoluzionario in quanto evita che i tradizionali compromessi degli astronomi siano costretti a fare i conti. In breve, in passato le simulazioni dettagliate soffrivano di bassi volumi, il che rendeva difficili le deduzioni statistiche sull'evoluzione cosmica su larga scala.
Le simulazioni di grandi volumi, d'altra parte, tradizionalmente mancano dei dettagli per riprodurre molte delle proprietà su piccola scala di quelle dell'Universo, il che rende le loro previsioni meno affidabili. Il TNG50 è la prima simulazione del suo genere in quanto riesce a combinare l'idea di simulazioni su larga scala - il concetto di "Universo in una scatola" - con il tipo di risoluzione che in precedenza era possibile solo con simulazioni di galassie.
Ciò è stato reso possibile dal supercomputer Hazel Hen a Stoccarda, dove 16.000 core hanno lavorato insieme per più di un anno: la simulazione più lunga e ad alta intensità di risorse fino ad oggi. La simulazione stessa consiste in un cubo di spazio che misura oltre 230 milioni di anni luce di diametro che contiene oltre 20 miliardi di particelle che rappresentano materia oscura, stelle, gas cosmico, campi magnetici e buchi neri supermassicci (SMBH).
Il TNG50 può anche discernere i fenomeni fisici che si verificano su scale fino a un milionesimo del volume complessivo (cioè 230 anni luce). Ciò consente alla simulazione di tracciare l'evoluzione simultanea di migliaia di galassie nel corso di 13,8 miliardi di anni di storia cosmica. I risultati della loro simulazione sono stati pubblicati in due articoli apparsi di recente sulla rivista Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
Entrambi gli studi sono stati condotti dalla dott.ssa Annalisa Pillepich del Max Planck Institute for Astronomy e dalla dott.ssa Dylan Nelson del Max Planck Institute for Astrophysics. Come ha spiegato Dylan in un comunicato stampa della RAS:
“Esperimenti numerici di questo tipo hanno particolarmente successo quando ne esci più di quanto hai inserito. 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. "
Inoltre, TNG50 è la prima simulazione del suo genere a due fenomeni emergenti che svolgono un ruolo chiave nell'evoluzione delle galassie. In primo luogo, il team di ricerca ha notato che mentre guardavano indietro nel tempo, quelle galassie di dischi ordinate e in rapida rotazione (come la Via Lattea) emersero da inizialmente caotiche nuvole di gas.
Quando questo gas si stabilì, le stelle appena nate adottarono orbite sempre più circolari, lasciando infine il posto a grandi galassie a spirale. Come ha spiegato la dott.ssa Annalisa Pillepich:
"In pratica, TNG50 mostra che la nostra galassia della Via Lattea con il suo disco sottile è all'altezza della moda della galassia: negli ultimi 10 miliardi di anni, almeno quelle galassie che stanno ancora formando nuove stelle sono diventate sempre più simili a dischi, e i loro caotici movimenti interni sono diminuiti considerevolmente. L'universo era molto più disordinato quando aveva solo pochi miliardi di anni! ”
Il secondo fenomeno emergente è apparso mentre le galassie si appiattiscono nella simulazione, dove si vedono venti ad alta velocità di gas che fuoriescono dalle galassie. Ciò è stato guidato dalle esplosioni di supernovae e dall'attività degli SMBH nel cuore delle galassie simulate. Ancora una volta, il processo era inizialmente caotico con il gas che scorreva in tutte le direzioni, ma alla fine si concentrava più lungo un percorso di minor resistenza.
Nell'attuale epoca cosmologica, questi flussi diventano a forma di cono e scorrono dalle estremità opposte della galassia, con il materiale che rallenta mentre lascia il pozzo di gravità invisibile dell'alone della materia oscura della galassia. Alla fine, questo materiale smette di fluire verso l'esterno e inizia a ricadere, diventando effettivamente una fontana galattica di gas riciclato.
In altre parole, questa simulazione è anche la prima del suo genere a mostrare come la geometria del gas cosmico che circonda le galassie determina le loro strutture (e viceversa). Per il loro lavoro, il Dr. Pillepich e il Dr. Nelson hanno ricevuto il Golden Spike Award 2019, assegnato ai membri della comunità di ricerca internazionale dal Computer Center ad alte prestazioni di Stoccarda, in Germania.
Anche il Dr. Nelson e i loro colleghi pianificano di rilasciare tutti i dati di simulazione TNG50 alla comunità astronomica e al pubblico. Ciò consentirà agli astronomi e ai cittadini scienziati di fare le proprie scoperte dalla simulazione, che potrebbe includere ulteriori esempi di fenomeni cosmici emergenti o risoluzioni a misteri cosmici duraturi.
