De eerste resultaten van het IllustrisTNG-project zijn gepubliceerd in drie afzonderlijke onderzoeken, en ze werpen nieuw licht op hoe zwarte gaten de kosmos vormen en hoe sterrenstelsels zich vormen en groeien. Het IllustrisTNG-project noemt zichzelf 'de volgende generatie van kosmologische hydrodynamische simulaties'. Het project is een doorlopende reeks van enorme hydrodynamische simulaties van ons universum. Het doel is om de fysieke processen te begrijpen die de vorming van sterrenstelsels aandrijven.
De kern van IllustriousTNG is een state-of-the-art numeriek model van het universum, dat draait op een van de krachtigste supercomputers ter wereld: de Hazel Hen-machine in het High-Performance Computing Center in Stuttgart, Duitsland. Hazel Hen is de snelste computer van Duitsland en de 19e snelste ter wereld.
Ons huidige kosmologische model suggereert dat de massa-energiedichtheid van het heelal wordt gedomineerd door donkere materie en donkere energie. Aangezien we geen van beide dingen kunnen waarnemen, is de enige manier om dit model te testen, nauwkeurige voorspellingen te kunnen doen over de structuur van de dingen die we kunnen zien, zoals sterren, diffuus gas en toenemende zwarte gaten. Deze zichtbare dingen zijn georganiseerd in een kosmisch web van vellen, filamenten en holtes. Binnenin bevinden zich sterrenstelsels, de basiseenheden van de kosmische structuur. Om onze ideeën over de galactische structuur te testen, moeten we gedetailleerde en realistische gesimuleerde sterrenstelsels maken en ze vervolgens vergelijken met wat echt is.
Astrofysici in de VS en Duitsland gebruikten IllustrisTNG om hun eigen universum te creëren, dat vervolgens in detail kon worden bestudeerd. IllustrisTNG correleert zeer sterk met waarnemingen van het echte universum, maar stelt wetenschappers in staat om te kijken naar dingen die in ons eigen universum verborgen zijn. Dit heeft tot dusver tot zeer interessante resultaten geleid en helpt bij het beantwoorden van enkele grote vragen in de kosmologie en astrofysica.
Sinds we hebben geleerd dat sterrenstelsels superzware zwarte gaten (SMBH's) in hun centra bevatten, wordt algemeen aangenomen dat ze een diepgaande invloed hebben op de evolutie van sterrenstelsels en mogelijk ook op hun vorming. Dat leidde tot de voor de hand liggende vraag: hoe beïnvloeden deze SMBH's de sterrenstelsels die ze hosten? Illustere TNG wilde hierop een antwoord geven, en het artikel van Dr. Dylan Nelson van het Max Planck Institute for Astrophysics laat zien dat "de belangrijkste motor van de overgang van melkwegkleuren superzware blackhole-feedback is in de toestand met lage accretie."
"De enige fysieke entiteit die de stervorming in onze grote elliptische sterrenstelsels kan blussen, zijn de superzware zwarte gaten in hun centra." - Dr. Dylan Nelson, Max Planck Instituut voor Astrofysica,
Sterrenstelsels die zich nog in hun stervormingsfase bevinden, schijnen fel in het blauwe licht van hun jonge sterren. Dan verandert er iets en eindigt de stervorming. Daarna wordt de melkweg gedomineerd door oudere, rode sterren en voegt de melkweg zich bij een kerkhof vol met "rode en dode" sterrenstelsels. Zoals Nelson uitlegt: "De enige fysieke entiteit die de stervorming in onze grote elliptische sterrenstelsels kan doven, zijn de superzware zwarte gaten in hun centra." Maar hoe doen ze dat?
Nelson en zijn collega's schrijven het toe aan superzware feedback over zwarte gaten in zijn lage aanwas. Dat betekent dat als een zwart gat zich voedt, het een wind of schokgolf creëert die stervormend gas en stof uit de melkweg blaast. Dit beperkt de toekomstige vorming van sterren. De bestaande sterren verouderen en worden rood en er vormen zich weinig nieuwe blauwe sterren.
Er is lang gedacht dat grote sterrenstelsels ontstaan wanneer kleinere sterrenstelsels samenkomen. Naarmate het sterrenstelsel groter wordt, trekt zijn zwaartekracht meer kleinere sterrenstelsels erin. Tijdens deze botsingen worden sterrenstelsels uit elkaar gescheurd. Sommige sterren zullen worden verstrooid en zullen hun intrek nemen in een halo rond het nieuwe, grotere sterrenstelsel. Dit zou het nieuw gecreëerde sterrenstelsel een zwakke achtergrondgloed van stellair licht moeten geven. Maar dit is een voorspelling en deze bleke gloed is erg moeilijk waar te nemen.
"Onze voorspellingen kunnen nu systematisch worden gecontroleerd door waarnemers." - Dr. Annalisa Pillepich (Max Planck Instituut voor Astrofysica)
IllustrisTNG kon nauwkeuriger voorspellen hoe deze gloed eruit zou moeten zien. Dit geeft astronomen een beter idee van waar ze op moeten letten wanneer ze deze bleke stellaire gloed in het echte universum proberen te observeren. "Onze voorspellingen kunnen nu systematisch worden gecontroleerd door waarnemers", merkt Dr. Annalisa Pillepich (MPIA) op, die een verder IllustrisTNG-onderzoek leidde. "Dit levert een kritische test op voor het theoretische model van de hiërarchische vorming van sterrenstelsels."
IllustrisTNG is een doorlopende reeks simulaties. Tot dusver zijn er drie IllustrisTNG-runs geweest, die elk een grotere simulatie creëerden dan de vorige. Ze zijn TNG 50, TNG 100 en TNG 300. TNG300 is veel groter dan TNG50 en maakt het mogelijk een groter gebied te bestuderen dat aanwijzingen onthult over grootschalige structuur. Hoewel de TNG50 veel kleiner is, heeft hij veel nauwkeurigere details. Het geeft ons een meer gedetailleerde kijk op de structurele eigenschappen van sterrenstelsels en de gedetailleerde structuur van gas rond sterrenstelsels. TNG100 zit ergens in het midden.
IllustrisTNG is niet de eerste kosmologische hydrodynamische simulatie. Anderen zijn onder meer Eagle, Horizon-AGN en IllustrisTNG's voorganger, Illustris. Ze hebben laten zien hoe krachtig deze voorspellende theoretische modellen kunnen zijn. Naarmate onze computers krachtiger worden en ons begrip van natuurkunde en kosmologie met hen meegroeit, zullen dit soort simulaties grotere en gedetailleerdere resultaten opleveren.
