היווצרות גלקסיות היא ריקוד מורכב בין חומר ואנרגיה, המתרחש על במה בעלת פרופורציות קוסמיות ומשתרע על פני מיליארדי שנים. איך המגוון של הגלקסיות המובנות והדינמיות בהן אנו מתבוננים כיום נבע מהכאוס הלוהט של המפץ הגדול נותרה אחת החידות הקשות והבלתי פתורות של הקוסמולוגיה.
בחיפוש אחר תשובות, צוות מדענים בינלאומי יצר את המודל הגדול ביותר של היקום עד כה, הדמיה שהם מכנים TNG50. היקום הווירטואלי שלהם, כ -230 מיליון שנות אור, מכיל עשרות אלפי גלקסיות מתפתחות המתפתחות עם רמות פירוט שנראו בעבר רק בדגמי גלקסיה יחידה. ההדמיה עקבה אחר למעלה מ- 20 מיליארד חלקיקים המייצגים חומר אפל, גזים, כוכבים וחורים שחורים סופר-מסיביים, במשך תקופה של 13.8 מיליארד שנה.
הרזולוציה והקנה המידה חסר התקדים אפשרו לחוקרים לאסוף תובנות מרכזיות בעברו של היקום שלנו, וחשפו כיצד גלקסיות שונות ומעוצבות באופן מוזר הפכו את עצמן לחיים וכיצד פיצוצים כוכבים וחורים שחורים הפעילו את ההתפתחות הגלקטית הזו. תוצאותיהם מתפרסמות בשני מאמרים שיוצגו בגיליון דצמבר 2019 של כתב העת Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
TNG50 הוא הסימולציה האחרונה שנוצרה על ידי פרויקט IllustrisTNG, שמטרתו לבנות תמונה שלמה של אופן התפתחות היקום שלנו מאז המפץ הגדול על ידי הפקת יקום בקנה מידה גדול מבלי להקריב את הפרטים הקטנים של גלקסיות בודדות.
פול טורי, פרופסור חבר לפיזיקה באוניברסיטת פלורידה וסופר משותף של המחקר, אמר: "סימולציות אלה הן מערכי נתונים ענקיים שבהם אנו יכולים ללמוד טון על ידי לנתח ולהבין את היווצרותם והתפתחותם של הגלקסיות בתוכם. "מה שחדש ביסודו ב- TNG50, זה שאתה מגיע למסה גבוהה מספיק ורזולוציה מרחבית בתוך הגלקסיות שנותנים לך תמונה ברורה של איך נראה המבנה הפנימי של המערכות כשהן מתפתחות ומתפתחות."
תשומת הלב של הדגם לפרטים מגיעה בעלות מסוימת. ההדמיה דרשה 16,000 ליבות מעבד של מחשב העל האזל חן בשטוטגרט, גרמניה, הפועל ברציפות במשך יותר משנה. לאותו חישוב נדרשת מערכת מעבד בודדת 15,000 שנה לחישוב. למרות היותו אחד ההדמיות האסטרופיזיות הכבדות ביותר בהיסטוריה, החוקרים מאמינים שההשקעה שלהם השתלמה.
בהצהרה אמר דילן נלסון, עמית פוסט-דוקטורט במכון מקס פלאנק לאסטרופיסיקה במינכן, גרמניה, "ניסויים מספריים מסוג זה מצליחים במיוחד כשאתה יוצא יותר מכפי שאתה מכניס," . "בסימולציה שלנו אנו רואים תופעות שלא תוכנתו במפורש לקוד הסימולציה. תופעות אלה מופיעות באופן טבעי, מתוך משחק הגומלין המורכב של המרכיבים הפיזיים הבסיסיים ביקום המודל שלנו."
תופעה מתעוררת זו עשויה להיות חיונית להבנת מדוע היקום שלנו מופיע כפי שהוא היום 13.8 מיליארד שנה אחרי המפץ הגדול. TNG50 אפשרה לחוקרים לראות מקרוב כיצד גלקסיות עלו אולי מתוך ענני הגז הסוערים שנמצאים זמן קצר לאחר שנולד היקום. הם גילו כי הגלקסיות דמויות הדיסק המשותפות לשכונה הקוסמית שלנו הגיחו באופן טבעי בתוך הסימולציה שלהן והפיקו מבנים פנימיים, כולל זרועות ספירליות, בליטות וסורגים המשתרעים מהחורים השחורים העל-מסיביים המרכזיים שלהם. כאשר השוו את היקום שנוצר במחשב שלהם לתצפיות מהחיים האמיתיים, הם גילו שאוכלוסיית הגלקסיות שלהם עולה בקנה אחד עם המציאות.
בזמן שהגלקסיות שלהם המשיכו להשתטח לדיסקים מסתובבים מסודרים, החלה לצוץ תופעה נוספת. פיצוצי סופרנובה וחורים שחורים סופר-מסיביים בלב כל גלקסיה יצרו יצוא גז במהירות גבוהה. התפוקות הללו התחלפו למזרקות גז המתנשאות אלפי שנות אור מעל לגלקסיה. משיכת הכובד הביאה בסופו של דבר חלק ניכר מהגז הזה לדיסק הגלקסיה, וחילקה אותו שוב לקצהו החיצוני ויצרה לולאת משוב של יצוא וגזירה של גז. מלבד מיחזור המרכיבים ליצירת כוכבים חדשים, הוכח גם שהיצוא משנה את מבנה הגלקסיה שלהם. הגזים הממוחזרים האיצו את הפיכת הגלקסיות לדיסקים מסתובבים דקים.
למרות הממצאים הראשוניים הללו, הצוות רחוק מסיים לנתח את המודל שלהם. הם גם מתכננים לשחרר את כל נתוני הסימולציה בפומבי לאסטרונומים ברחבי העולם כדי ללמוד את הקוסמוס הווירטואלי שלהם.
"עומדת לפנינו דרך ענקית לאחר שסיימנו את ההדמיות האלה," אמר טורי. "צוות שלם של חוקרים פועל להבנה טובה יותר של המאפיינים המפורטים של הגלקסיות הנוצרות ואילו מגמות צצות מופיעות בנתונים ההם."
