Astrofizycy przedstawiają najbardziej zaawansowany model wszechświata

Wizualizacja intensywności fal uderzeniowych w kosmicznym gazie (niebieski) wokół zapadniętych struktur ciemnej materii (pomarańczowy/biały). Gaz w tych falach uderzeniowych przyspieszany jest zderzając się z włóknami kosmicznymi i galaktykami. Źródło: IllustrisTNG collaboration

Nowatorskie metody obliczeniowe pozwoliły stworzyć najbardziej upakowaną informacjami symulację Wszechświata w historii. Nowe narzędzie dostarcza świeżych informacji o tym jak czarne dziury wpływają na rozkład ciemnej materii, jak powstają ciężkie pierwiastki i jak rozprzestrzeniają się w przestrzeni kosmicznej oraz jak powstają pola magnetyczne.

Zespół naukowców z Heidelbergu, Garching, Harvardu, MIT i CCA kierowany przez Volkera Springela opracował i zaprogramował nową symulację wszechświata o nazwie Illustris: The Next Generation (w skrócie IllustrisTNG).

Model ten jest najbardziej zaawansowaną tego typu symulacją wszechświata – mówi Shy Genel, badacz z CCA (Center for Computational Astrophysics). Szczegóły i skala symulacji umożliwiają Genelowi badanie w jaki sposób powstają, ewoluują i rosną galaktyki przy jednoczesnym obserwowaniu zachodzących w nich procesów gwiazdotwórczych. „Gdy obserwujemy galaktyki za pomocą teleskopu, możemy mierzyć tylko niektóre z ich właściwości” mówi. „Wykorzystując do tego symulacje możemy śledzić wszystkie właściwości tych galaktyk. Możemy obserwować nie tylko to jak galaktyka wygląda teraz, ale każdy etap jej powstawania”. Mapowane sposobów, na które galaktyki ewoluują pozwala nam spojrzeć na to jak wyglądała Droga Mleczna wyglądała gdy Układ Słoneczny dopiero powstawał, oraz jak będzie wyglądała w przyszłości.

Przekrój przez wielkoskalową strukturę Wszechświata w największej symulacji stworzonej w ramach projektu IllustrisTNG. Jasność na zdjęcu przedstawia gęstość masy, a kolorem zaznaczono średnią temperaturę gazu materii barionowej. Przedstawiony obszar rozciąga się na 1,2 mld lat świetlnych. Źródło: IllustrisTNG collaboration

Mark Vogelsberger, profesor fizyki na MIT oraz w Kavli Institute for Astrophysics and Space Research zajmuje się opracowywaniem, testowaniem i analizowaniem nowych symulacji IllustrisTNG. Wraz z Ferderico Marinaccim oraz Paulem Torrey wykorzystuje IllustrtisTNG do badania obserwowanych sygnatur z wielkoskalowych pól magnetycznych wypełniających Wszechświat.

„Wysoka rozdzielczość IllustrisTNG w połączeniu z jej wyrafinowanym modelem formowania galaktyk pozwoliła nam na zbadanie zagadnienia pól magnetycznych bardziej szczegółowo niż za pomocą jakiejkolwiek wcześniejszej symulacji kosmologicznej” mówi Vogelsberger, jeden z autorów trzech artykułów opublikowanych dzisiaj w periodyku Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Render prędkości gazu w cienkim plastrze o grubości 100 kiloparseków. W centrum druga pod względem masy gromada galaktyk w obliczeniach TNG100. Tam gdzie obraz jest ciemny, gaz praktycznie się nie porusza, podczas gdy w białych obszarach prędkości gazu przekraczają 1000 km/s. Na zdjęciu widać kontrast między ruchem gazu w włóknach kosmicznych a chaotycznymi ruchami wzbudzonymi przez głęboką grawitacyjną studnię potencjału oraz supermasywną czarną dziurę mieszczącą się w jej centrum. Źródło: IllustrisTNG

IllustrisTNG jest następcą pierwotnej symulacji Illustris  opracowanej przez ten sam zespół badawczy. Nową symulację wzbogacono o procesy fizyczne odgrywające kluczową rolę w formowaniu i ewolucji galaktyk.

Tak jak w przypadku Illustris, w symulacji tworzony jest model sześciennego wszechświata mniejszego od naszego. Tym razem, w ramach projektu śledzono powstawanie milionów galaktyk w reprezentatywnym obszarze wszechświata o boku miliarda lat świetlnych (w przeciwieństwie do 350 milionów lat świetlnych cztery lata temu). IllustrisTNG jest największą w historii symulacją hydrodynamiczną powstawania struktur kosmicznych.

Kosmiczna sieć gazu i ciemnej materii przewidywana przez IllustrisTNG prowadzi do powstania galaktyk podobnych do rzeczywistych galaktyk pod względem rozmiarów i kształtów. Po raz pierwszy w historii symulacje hydrodynamiczne były w stanie bezpośrednio obliczyć szczegółowy wzór tworzenia gromad galaktyk w przestrzeni kosmicznej. Po porównania do danych obserwacyjnych takich jak dane z przeglądu SDSS, okazało się, że symulacje z IllustrisTNG charakteryzują się wysokim stopniem realizmu.

Co więcej, symulacje przewidują zmiany sieci kosmicznej w czasie, szczególnie w odniesieniu do ciemnej materii wypełniającej w dużej mierze przestrzeń kosmiczną. „To szczególnie fascynujące, że możemy prawidłowo przewidzieć wpływ supermasywnych czarnych dziur na rozkład materii w wielkiej skali. To kluczowa wiedza dla prawidłowego interpretowania przyszłych pomiarów kosmologicznych”.

Źródło: Simons Foundation