Modelowanie Wszechświata

Symulacja komputerowa Wszechświata dała nowe wskazówki dotyczące tego, w jaki sposób czarne dziury wpływają na rozkład ciemnej materii, jak ciężkie pierwiastki są produkowane i rozprowadzane w kosmosie oraz gdzie powstają pola magnetyczne.

Astrofizycy z MIT, Harvard University, Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Max-Planck Institutes for Astrophysics and for Astronomy oraz Center for Computational Astrophysics uzyskali świeże spojrzenie na tworzenie się i ewolucję galaktyk, opracowując i programując nowy model symulacji dla Wszechświata – „Illustris – The Next Generation” czyli IllustrisTNG.

Mark Vogelsberger, adiunkt fizyki na MIT oraz MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, pracuje nad rozwijaniem, testowaniem oraz analizą nowych symulacji IllustrisTNG. Razem z Federico Marinacci i Paulem Torreyem, Vogelsberger używał IllustrisTNG do badania obserwowalnych sygnatur z wielkoskalowych pól magnetycznych przenikających Wszechświat.

Vogelsberger użył modelu IllustrisTNG, aby pokazać, że niespokojne ruchy gorących gazów napędzają na małą skalę magnetary, które mogą w sposób wykładniczy zmieniać pola magnetyczne w jądrach galaktyk, oraz że model dokładnie prognozuje obserwowaną siłę tych pól magnetycznych.

„Wysoka rozdzielczość IllustrisTNG w połączeniu z wyrafinowanym modelem formowania się galaktyk, pozwoliła nam bardziej szczegółowo zbadać zagadnienia dotyczące pól magnetycznych, niż jakakolwiek poprzednia symulacja kosmologiczna” – mówi Vogelsberger.

Projekt IllustrisTNG jest kontynuacją modelu oryginalnej symulacji Illustris opracowanego przez ten sam zespół badawczy, który został zaktualizowany, aby uwzględnić niektóre procesy fizyczne odgrywające kluczową rolę w tworzeniu i ewolucji galaktyk.

Podobnie, jak w przypadku Illustris, projekt modeluje kawałek Wszechświata o kształcie sześcianu. Tym razem projekt podążał za formowaniem się milionów galaktyk w reprezentatywnym regionie Wszechświata o rozmiarach blisko miliarda lat świetlnych (cztery lata temu było to zaledwie 350 mln lat świetlnych). IllustrisTNG jest największym dotychczas projektem hydrodynamicznej symulacji powstawania struktur kosmicznych – mówi Volker Springel, główny badacz IllustrisTNG i badacz w Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Heidelberg University, oraz Max-Planck Institute for Astrophysics.

Kosmiczna sieć gazu i gwiazd, przewidziana przez IllustrisTNG, tworzy galaktyki dość podobne w kształcie i wielkości do tych rzeczywistych. Po raz pierwszy symulacje hydrodynamiczne mogłyby bezpośrednio obliczyć szczegółowy wzór grupowania się galaktyk w przestrzeni. W porównaniu z danymi obserwacyjnymi – w tym najnowsze przeglądy dotyczące dużych galaktyk, takie jak SDSS – IllustrisTNG wykazuje wielki stopień realizmu, mówi Springel.

Ponadto, symulacje przewidują, w jaki sposób kosmiczna sieć zmienia się w czasie, w szczególności w odniesieniu do szkieletu ciemnej materii kosmosu. „Szczególnie fascynujące jest to, że możemy dokładnie przewidzieć wpływ supermasywnych czarnych dziur na rozkład materii na dużą skalę. Jest to kluczowe dla niezawodnej interpretacji przyszłych pomiarów kosmologicznych” – mówi Springel.

W ramach projektu naukowcy opracowali wyjątkowo wydajną wersję swojego kodu AREPO i wykorzystali go na maszynie „Hazel-Hen” w Supercomputing Center w Stuttgarcie, najszybszym niemieckim komputerze typu mainframe.

Aby obliczyć jeden z dwóch głównych przebiegów symulacji, w ciągu ponad dwóch miesięcy wykorzystano ponad 24 000 procesorów.

W innym badaniu, Dylan Nelson z Max-Planck Institute for Astrophysics, był w stanie zademonstrować istotny wpływ czarnych dziur na galaktyki.

Galaktyki gwiazdotwórcze świecą jasno niebieskim światłem swoich młodych gwiazd do czasu, aż nagłe przesunięcie ewolucyjne ugasi powstawanie gwiazd, tak, że galaktyka zostanie zdominowana przez stare, czerwone gwiazdy i dołączy do cmentarzyska starych, wymarłych galaktyk.

„Jedynym, co może ugasić procesy gwiazdotwórcze w dużych galaktykach eliptycznych są supermasywne czarne dziury w ich jądrach. Bardzo szybkie wypływy z tych grawitacyjnych pułapek osiągają prędkości dochodzące do 10% prędkości światła i wpływają na olbrzymie układy gwiezdne, które są miliardy razy większe niż porównywalnie mniejsze czarne dziury” – wyjaśnia Nelson.

IllustrisTNG pozwala również badaczom lepiej zrozumieć hierarchiczną strukturę formowania się galaktyk. Teoretycy twierdzą, że najpierw powinny powstać małe galaktyki, a następnie łączyć się w coraz większe obiekty, napędzane przez nieustające przyciąganie grawitacyjne. Liczne zderzenia galaktyk dosłownie rozrywają niektóre z nich i rozpraszają ich gwiazdy na szerokich orbitach wokół nowo powstałych dużych galaktyk, które powinny dać im słabą poświatę tła światła gwiazd.

Owe przewidywane blaknące gwiezdne halo są bardzo trudne do zaobserwowania ze względu na małą jasność powierzchniową, ale IllustrisTNG był w stanie dokładnie symulować to, czego astronomowie powinni szukać.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
MIT

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.