De vorming van sterrenstelsels is een complexe dans tussen materie en energie, die plaatsvindt op een stadium van kosmische proporties en miljarden jaren beslaat. Hoe de diversiteit van gestructureerde en dynamische sterrenstelsels die we vandaag waarnemen, is voortgekomen uit de vurige chaos van de oerknal, blijft een van de moeilijkste onopgeloste puzzels van de kosmologie.
Op zoek naar antwoorden heeft een internationaal team van wetenschappers tot nu toe het meest gedetailleerde grootschalige model van het universum gemaakt, een simulatie die ze TNG50 noemen. Hun virtuele universum, zo'n 230 miljoen lichtjaar breed, bevat tienduizenden evoluerende sterrenstelsels met detailniveaus die voorheen alleen in modellen met één melkwegstelsel te zien waren. De simulatie volgde meer dan 20 miljard deeltjes die donkere materie, gassen, sterren en superzware zwarte gaten vertegenwoordigen, over een periode van 13,8 miljard jaar.
De ongekende resolutie en schaal zorgden ervoor dat de onderzoekers belangrijke inzichten konden vergaren over het verleden van ons eigen universum, en onthulden hoe verschillende vreemd gevormde sterrenstelsels zich vormden en hoe stellaire explosies en zwarte gaten deze galactische evolutie veroorzaakten. Hun resultaten zijn gepubliceerd in twee artikelen die zullen verschijnen in het decembernummer van het tijdschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
TNG50 is de nieuwste simulatie gemaakt door het IllustrisTNG-project, dat tot doel heeft een compleet beeld te krijgen van hoe ons universum sinds de oerknal is geëvolueerd door een grootschalig universum te produceren zonder de fijne details van individuele sterrenstelsels op te offeren.
"Deze simulaties zijn enorme datasets waar we veel van kunnen leren door de vorming en evolutie van sterrenstelsels daarin te ontleden en te begrijpen", zegt Paul Torrey, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Florida en co-auteur van de studie. "Wat fundamenteel nieuw is aan TNG50, is dat je binnen de sterrenstelsels een voldoende hoge massa en ruimtelijke resolutie krijgt die je een duidelijk beeld geven van hoe de interne structuur van de systemen eruit ziet terwijl ze zich vormen en evolueren."
De aandacht voor detail van het model kost wat. De simulatie vereiste 16.000 processorcores van de Hazel Hen-supercomputer in Stuttgart, Duitsland, die meer dan een jaar continu draait. Dezelfde berekening zou 15.000 jaar nodig hebben om een enkel processorsysteem te berekenen. Ondanks dat het een van de meest computationeel zware astrofysische simulaties in de geschiedenis is, denken de onderzoekers dat hun investering zijn vruchten heeft afgeworpen.
"Dergelijke numerieke experimenten zijn bijzonder succesvol als je er meer uit haalt dan je erin stopt", zei Dylan Nelson, een postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck Instituut voor Astrofysica in München, Duitsland, en co-auteur van de studie, zei in een verklaring. . "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."
Dat opkomende fenomeen kan essentieel zijn om te begrijpen waarom ons universum verschijnt zoals het er nu 13,8 miljard jaar na de oerknal uitziet. Met TNG50 konden onderzoekers uit de eerste hand zien hoe sterrenstelsels mogelijk zijn voortgekomen uit de turbulente gaswolken die kort na de geboorte van het universum aanwezig waren. Ze ontdekten dat de schijfvormige sterrenstelsels die in onze kosmische buurt voorkomen, van nature naar voren kwamen in hun simulatie en interne structuren produceerden, waaronder spiraalarmen, uitstulpingen en staven die zich vanuit hun centrale superzware zwarte gaten uitstrekken. Toen ze hun door een computer gegenereerde universum vergeleken met waarnemingen in het echte leven, ontdekten ze dat hun populatie van sterrenstelsels kwalitatief consistent was met de werkelijkheid.
Terwijl hun sterrenstelsels bleven afvlakken tot goed geordende roterende schijven, begon er een ander fenomeen op te duiken. Supernova-explosies en superzware zwarte gaten in het hart van elk sterrenstelsel veroorzaakten een hoge gasstroom. Deze uitstroom veranderde in gasfonteinen die duizenden lichtjaar boven een melkwegstelsel uitstegen. De zwaartekracht bracht uiteindelijk veel van dit gas terug naar de schijf van de melkweg, herverdeelde het naar de buitenrand en creëerde een terugkoppellus van gasuitstroom en instroom. Afgezien van het recyclen van de ingrediënten voor het vormen van nieuwe sterren, werd ook aangetoond dat de uitstroom de structuur van hun melkwegstelsel veranderde. De gerecyclede gassen versnelden de transformatie van sterrenstelsels in dunne roterende schijven.
Ondanks deze eerste bevindingen is het team nog lang niet klaar met het ontleden van hun model. Ze zijn ook van plan om alle gegevens van de simulatie openbaar te maken voor astronomen over de hele wereld om hun virtuele kosmos te bestuderen.
'Er ligt een enorme weg voor ons nu we deze simulaties hebben voltooid', zei Torrey. "Een heel team van onderzoekers werkt aan een beter begrip van de gedetailleerde eigenschappen van de sterrenstelsels die zich vormen en welke opkomende trends in die gegevens naar voren komen."
