מאז אמצע המאה ה -20, מדענים העידו על רעיון טוב של היקום. ההתפשטות הקוסמית וגילוי הרקע הקוסמי של מיקרוגל (CMB) הניבו אמינות לתיאוריית המפץ הגדול, וקצב ההתרחבות המואץ הוביל לתאוריות אודות אנרגיה אפלה. עם זאת, יש הרבה יקום המוקדם שעדיין לא יודעים מדענים, מה שמחייב להסתמך על הדמיות על אבולוציה קוסמית.
באופן מסורתי זה היווה מעט בעיה מכיוון שמגבלות המחשוב גרמו לכך שהסימולציה יכולה להיות בקנה מידה גדול או מפורט, אך לא את שניהם. עם זאת, צוות מדענים מגרמניה ומארצות הברית השלים לאחרונה את ההדמיה המפורטת ביותר בהיקפים גדולים עד כה. ידוע בשם TNG50, סימולציה עדכנית זו תאפשר לחוקרים ללמוד כיצד התפתח הקוסמוס הן בפירוט והן בקנה מידה גדול.
TNG50 הוא הסימולציה האחרונה שהופקה על ידי IllustrisTNG, פרויקט מתמשך המוקדש ליצירת הדמיות קוסמולוגיות גדולות של היווצרות הגלקסיה. זה פורץ דרך בכך שהוא נמנע מהאסטרונומים המסחריים המסורתיים נאלצים להתמודד איתם. בקיצור, סימולציות מפורטות סבלו בעבר מנפח נמוך, מה שהקשה על ניכויים סטטיסטיים לגבי אבולוציה קוסמית רחבת היקף.
לעומת זאת, בסימולציות בהיקפים גדולים, באופן מסורתי, אין פירוט בכדי לשחזר הרבה מהמאפיינים בקנה מידה קטן של היקום, מה שהופך את תחזיותיהם לאמינות פחות. TNG50 הוא הסימולציה הראשונה מסוגה בכך שהיא מצליחה לשלב את הרעיון של סימולציות בקנה מידה גדול - המושג "יקום בתיבה" - עם סוג הרזולוציה שבעבר הייתה אפשרית רק עם הדמיות גלקסיות.
הדבר התאפשר על ידי מחשב העל האזל חן בשטוטגרט, בו עבדו 16,000 ליבות יחד במשך יותר משנה - ההדמיה הארוכה והאינטנסיבית ביותר עד כה. ההדמיה עצמה מורכבת מקוביית חלל שנמדדת בקוטר של יותר מ -230 מיליון שנות אור המכילה למעלה מ- 20 מיליארד חלקיקים המייצגים חומר כהה, כוכבים, גז קוסמי, שדות מגנטיים וחורים שחורים-על-מסיביים (SMBH).
TNG50 יכול גם להבחין בתופעות פיזיות המתרחשות במאזניים עד למיליון מהנפח הכולל (כלומר 230 שנות אור). זה מאפשר לסימולציה להתחקות אחר התפתחות סימולטנית של אלפי גלקסיות במהלך 13.8 מיליארד שנות היסטוריה קוסמית. תוצאות ההדמיה שלהם פורסמו בשני מאמרים שהופיעו לאחרונה בכתב העת הודעות חודשיות של החברה המלכותית לאסטרונומיה.
את שני המחקרים הובילה ד"ר אנליסה פילפיץ 'ממכון מקס פלאנק לאסטרונומיה, וד"ר דילן נלסון ממכון מקס פלאנק לאסטרופיזיקה. כפי שהסביר דילן בהודעה לעיתונות של RAS:
"ניסויים מספריים מסוג זה מצליחים במיוחד כשאתה יוצא יותר מכפי שאתה מכניס. בסימולציה שלנו, אנו רואים תופעות שלא תוכנתו במפורש לקוד הסימולציה. תופעות אלה מתגלות בצורה טבעית, מהאינטראקציה המורכבת של המרכיבים הפיזיים הבסיסיים ביקום המודל שלנו. "
בנוסף, TNG50 הוא הדמיה ראשונה מסוגה לשתי תופעות צצות הממלאות תפקיד מפתח בהתפתחות הגלקסיות. ראשית, צוות המחקר שם לב שכאשר הם הביטו אחורה בזמן, גלקסיות הדיסק המסודרות והסיבוביות במהירות (כמו שביל החלב) הגיחו מענני גז כאויים בתחילה.
עם התיישבות הגז הזה, אימצו כוכבים שזה עתה נולדו מסלול מעגלי יותר ויותר, ובסופו של דבר פינו את מקומם לגלקסיות ספירליות גדולות. כפי שהסבירה ד"ר אנליסה פילפיץ ':
"בפועל, TNG50 מראה כי גלקסיית שביל החלב שלנו עם הדיסק הדק שלה נמצאת בשיא אופנת הגלקסיה: במהלך 10 מיליארד השנים האחרונות לפחות הגלקסיות שעדיין יוצרות כוכבים חדשים הפכו ליותר ויותר דמויות דיסק, והתנועות הפנימיות הכאוטיות שלהם פחתו במידה ניכרת. היקום היה הרבה יותר מבולגן כשהוא בן כמה מיליארדי שנה בלבד! "
התופעה המתעוררת השנייה הופיעה כאשר הגלקסיות מתשטחות בסימולציה, שם נראו רוחות גז במהירות גבוהה זורמות מהגלקסיות. זה הונע על ידי פיצוצים של supernovae ופעילות מצד SMBHs בלב הגלקסיות המדומות. שוב, התהליך היה בתחילה כאוטי, כאשר גז זרם לכל הכיוונים, אך בסופו של דבר התמקד יותר בדרך של פחות התנגדות.
לפי העידן הקוסמולוגי הנוכחי, זרימות אלה נעשות בצורת חרוט וזורמות מהקצוות הנגדים של הגלקסיה, כאשר החומר מאט כשהוא משאיר את כוח הכובד הבלתי נראה של הילה החומר האפל של הגלקסיה. בסופו של דבר, חומר זה מפסיק לזרום החוצה ומתחיל ליפול חזרה פנימה, והופך למעשה למזרקה גלקטית של גז ממוחזר.
במילים אחרות, הדמיה זו היא גם הראשונה מסוגה המראה כיצד הגיאומטריה של הגז הקוסמי זורם סביב הגלקסיות קובעת את המבנים שלהם (ולהיפך). על עבודתם זכו ד"ר פילפיץ 'וד"ר נלסון בפרס הזהב הזהב לשנת 2019, המוענק לחברי קהילת המחקר הבינלאומית על ידי מרכז המחשבים הגבוה-ביצועים בשטוטגרט, גרמניה.
ד"ר נלסון ועמיתיהם גם שותלים לשחרר בסופו של דבר את כל נתוני הסימולציה של TNG50 לקהילה האסטרונומית ולקהל. זה יאפשר לאסטרונומים ומדענים אזרחיים לגלות בעצמם את התגליות מההדמיה, שיכולה לכלול דוגמאות נוספות לתופעות קוסמיות או הופעות מתמשכות לתעלומות קוסמיות מתמשכות.
