Sinds het midden van de 20e eeuw hebben wetenschappers een vrij goed idee gehad van hoe het universum is ontstaan. Kosmische expansie en de ontdekking van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) verleenden geloofwaardigheid aan de oerknaltheorie en de versnelde expansiesnelheid leidde tot theorieën over donkere energie. Toch is er veel over het vroege heelal dat wetenschappers nog steeds niet weten, wat vereist dat ze vertrouwen op simulaties over kosmische evolutie.
Dit was van oudsher een beetje een probleem, omdat de beperkingen van computers betekenden dat simulatie grootschalig of gedetailleerd kon zijn, maar niet beide. Een team van wetenschappers uit Duitsland en de Verenigde Staten heeft onlangs echter de meest gedetailleerde grootschalige simulatie tot nu toe voltooid. Bekend als TNG50, zal deze state-of-the-art simulatie onderzoekers in staat stellen te bestuderen hoe de kosmos zowel in detail als op grote schaal is geëvolueerd.
TNG50 is de nieuwste simulatie geproduceerd door IllustrisTNG, een doorlopend project dat zich toelegt op het creëren van grote, kosmologische simulaties van de vorming van sterrenstelsels. Het is baanbrekend omdat het de traditionele wisselwerking vermijdt waarmee astronomen worden geconfronteerd. Kortom, gedetailleerde simulaties hadden in het verleden last van een laag volume, wat statistische afleidingen over grootschalige kosmische evolutie bemoeilijkte.
Grootschalige simulaties daarentegen missen traditioneel de details om veel van de kleinschalige eigenschappen van het heelal te reproduceren, wat hun voorspellingen minder betrouwbaar maakt. De TNG50 is de eerste simulatie in zijn soort omdat hij erin slaagt het idee van grootschalige simulaties - het "Universum in een doos" -concept - te combineren met het soort resolutie dat voorheen alleen mogelijk was met simulaties van sterrenstelsels.
Dit werd mogelijk gemaakt door de Hazel Hen-supercomputer in Stuttgart, waar 16.000 cores meer dan een jaar samenwerkten - de langste en meest resource-intensieve simulatie tot nu toe. De simulatie zelf bestaat uit een kubus van ruimte met een diameter van meer dan 230 miljoen lichtjaar met meer dan 20 miljard deeltjes die donkere materie, sterren, kosmisch gas, magnetische velden en superzware zwarte gaten (SMBH's) vertegenwoordigen.
TNG50 kan ook fysieke verschijnselen waarnemen die zich voordoen op schalen tot een miljoenste van het totale volume (d.w.z. 230 lichtjaar). Hierdoor kan de simulatie de gelijktijdige evolutie van duizenden sterrenstelsels in de loop van 13,8 miljard jaar kosmische geschiedenis volgen. De resultaten van hun simulatie werden gepubliceerd in twee artikelen die onlangs in het tijdschrift verschenen Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society.
Beide onderzoeken werden geleid door Dr. Annalisa Pillepich van het Max Planck Institute for Astronomy, en Dr. Dylan Nelson van het Max Planck Institute for Astrophysics. Zoals Dylan uitlegde in een RAS-persbericht:
“Dergelijke numerieke experimenten zijn vooral succesvol als je er meer uitkomt dan je erin stopt. In onze simulatie zien we fenomenen die niet expliciet in de simulatiecode waren geprogrammeerd. Deze verschijnselen komen op natuurlijke wijze voort uit het complexe samenspel van de fysieke basisingrediënten van ons modeluniversum. ”
Bovendien is TNG50 de eerste simulatie in zijn soort voor twee opkomende fenomenen die een sleutelrol spelen in de evolutie van sterrenstelsels. Ten eerste merkte het onderzoeksteam op dat terwijl ze terugkeken in de tijd, dat ordelijk, snel roterende schijfstelsels (zoals de Melkweg) voortkwamen uit aanvankelijk chaotische gaswolken.
Toen dit gas zich vestigde, namen pasgeboren sterren steeds meer cirkelvormige banen aan en maakten uiteindelijk plaats voor grote spiraalstelsels. Zoals Dr. Annalisa Pillepich uitlegde:
"In de praktijk laat TNG50 zien dat ons eigen Melkwegstelsel met zijn dunne schijf zich op het hoogtepunt van de mode van de melkweg bevindt: in de afgelopen 10 miljard jaar zijn tenminste die sterrenstelsels die nog steeds nieuwe sterren vormen, steeds meer schijfachtig geworden, en hun chaotische interne bewegingen zijn aanzienlijk afgenomen. Het heelal was veel slordiger toen het nog maar een paar miljard jaar oud was! '
Het tweede opkomende fenomeen deed zich voor toen de sterrenstelsels plat vielen in de simulatie, waarbij gaswinden met hoge snelheid uit sterrenstelsels stroomden. Dit werd veroorzaakt door supernova-explosies en activiteit van SMBH's in het hart van de gesimuleerde sterrenstelsels. Nogmaals, het proces was aanvankelijk chaotisch met gas dat in alle richtingen stroomde, maar uiteindelijk meer gericht werd op een pad van de minste weerstand.
Tegen het huidige kosmologische tijdperk worden deze stromen kegelvormig en stromen ze uit de tegenoverliggende uiteinden van de melkweg, waarbij het materiaal vertraagt terwijl het de onzichtbare zwaartekrachtput van de donkere materie-halo van de melkweg verlaat. Uiteindelijk stopt dit materiaal met naar buiten stromen en begint het terug te vallen, waardoor het in feite een galactische fontein van gerecycled gas wordt.
Met andere woorden, deze simulatie is ook de eerste in zijn soort die laat zien hoe de geometrie van kosmisch gas dat rond sterrenstelsels stroomt, hun structuren bepaalt (en vice versa). Voor hun werk ontvingen Dr. Pillepich en Dr. Nelson de Golden Spike Award 2019, die wordt uitgereikt aan leden van de internationale onderzoeksgemeenschap door het High-Performance Computer Center in Stuttgart, Duitsland.
Dr. Nelson en hun collega's planten ook om uiteindelijk alle TNG50-simulatiegegevens vrij te geven aan de astronomische gemeenschap en aan het publiek. Dit stelt astronomen en burgerwetenschappers in staat om hun eigen ontdekkingen te doen uit de simulatie, waaronder aanvullende voorbeelden van opkomende kosmische verschijnselen of resoluties voor blijvende kosmische mysteries.
