science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Galactische fonteinen en carrousels:orde die voortkomt uit chaos

Beelden van het optische licht dat wordt uitgezonden door de sterren van 16 sterrenstelsels uit de TNG50-simulatie. Elk sterrenstelsel wordt face-on of van bovenaf gezien (bovenste subpanelen), en kant-en-klaar of vanaf de zijkant (onderste subpanelen). Credit:D. Nelson (MPA) en het IllustrisTNG-team. Licentietype Naamsvermelding (CC BY 4.0)

Wetenschappers uit Duitsland en de Verenigde Staten hebben de resultaten onthuld van een pas voltooide, state-of-the-art simulatie van de evolutie van sterrenstelsels. TNG50 is de meest gedetailleerde grootschalige kosmologische simulatie tot nu toe. Het stelt onderzoekers in staat om in detail te bestuderen hoe sterrenstelsels ontstaan, en hoe ze zijn geëvolueerd sinds kort na de oerknal. Voor de eerste keer, het onthult dat de geometrie van het kosmische gas dat rond sterrenstelsels stroomt de structuren van sterrenstelsels bepaalt, en vice versa. De onderzoekers publiceren hun resultaten in twee artikelen in het tijdschrift Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .

Astronomen die kosmologische simulaties uitvoeren, staan ​​voor een fundamentele afweging:met eindige rekenkracht, typische simulaties tot nu toe zijn ofwel zeer gedetailleerd of hebben een groot volume virtuele ruimte bestreken, maar tot nu toe niet in staat geweest om beide te doen. Gedetailleerde simulaties met beperkte volumes kunnen niet meer dan een paar sterrenstelsels modelleren, statistische deducties moeilijk te maken. Simulaties met grote volumes, beurtelings, missen doorgaans de details die nodig zijn om veel van de kleinschalige eigenschappen die we in ons eigen universum waarnemen, te reproduceren, hun voorspellende kracht verminderen.

De TNG50-simulatie, die zojuist is gepubliceerd, weet deze wisselwerking te vermijden. Voor de eerste keer, het combineert het idee van een grootschalige kosmologische simulatie - een universum in een doos - met de computationele resolutie van 'zoom'-simulaties, op een detailniveau dat voorheen alleen mogelijk was voor studies van individuele sterrenstelsels.

In een gesimuleerde ruimtekubus van meer dan 230 miljoen lichtjaar in doorsnede, TNG50 kan fysieke fenomenen onderscheiden die voorkomen op schalen die een miljoen keer kleiner zijn, het traceren van de gelijktijdige evolutie van duizenden sterrenstelsels gedurende 13,8 miljard jaar kosmische geschiedenis. Het doet dit met meer dan 20 miljard deeltjes die donkere (onzichtbare) materie vertegenwoordigen, sterren, kosmisch gas, magnetische velden, en superzware zwarte gaten. De berekening zelf vereiste 16, 000 cores op de Hazel Hen-supercomputer in Stuttgart, samenwerken, 24/7, gedurende meer dan een jaar - het equivalent van vijftienduizend jaar op een enkele processor, waardoor het een van de meest veeleisende astrofysische berekeningen tot nu toe is.

De vorming van een enkel massief sterrenstelsel door de tijd, van de vroege kosmische tijdperken tot op de dag van vandaag, in de TNG50 kosmische simulatie. Het hoofdpaneel toont de dichtheid van het kosmische gas (hoog in wit, laag in zwart). Inzetstukken tonen grootschalige donkere materie en vervolgens gas (linksonder), en kleinschalige stellaire en gasvormige distributies (rechtsonder). Dit TNG50-sterrenstelsel zal qua massa en vorm vergelijkbaar zijn met Andromeda (M31) tegen de tijd dat de film het huidige tijdperk bereikt. Zijn voorouder ervaart snelle stervorming in een turbulent gasreservoir dat zich na een paar miljard jaar kosmische evolutie in een geordende schijf nestelt. Een vrij rustige latere assemblagegeschiedenis zonder grote fusies stelt de melkweg in staat om te ontspannen in een evenwichtsbalans van gasuitstroom door supernova-explosies en gasaanwas uit zijn omgeving. Credit:D. Nelson (MPA) en het IllustrisTNG-team

De eerste wetenschappelijke resultaten van TNG50 zijn gepubliceerd door een team onder leiding van Dr. Annalisa Pillepich (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg) en Dr. Dylan Nelson (Max Planck Instituut voor Astrofysica, Garching) en onthullen onvoorziene fysieke verschijnselen. Nelson:"Dit soort numerieke experimenten zijn vooral succesvol als je er meer uithaalt dan je erin stopt. In onze simulatie we zien fenomenen die niet expliciet in de simulatiecode waren geprogrammeerd. Deze verschijnselen ontstaan ​​op een natuurlijke manier, van het complexe samenspel van de fysieke basisingrediënten van ons modeluniversum."

TNG50 heeft twee prominente voorbeelden voor dit soort opkomend gedrag. De eerste betreft de vorming van "schijf"-sterrenstelsels zoals onze eigen Melkweg. De simulatie gebruiken als een tijdmachine om de evolutie van de kosmische structuur terug te spoelen, onderzoekers hebben gezien hoe de goed geordende, snel roterende schijfstelsels (die veel voorkomen in ons nabije heelal) komen voort uit chaotische, ongeorganiseerd, en zeer turbulente gaswolken in eerdere tijdperken.

Terwijl het gas tot rust komt, pasgeboren sterren worden meestal in steeds meer cirkelvormige banen gevonden, uiteindelijk vormen ze grote spiraalstelsels - galactische carrousels. Annalisa Pillepich legt uit:"In de praktijk TNG50 laat zien dat ons eigen Melkwegstelsel met zijn dunne schijf op het hoogtepunt van de melkwegmode is:in de afgelopen 10 miljard jaar, tenminste die sterrenstelsels die nog steeds nieuwe sterren vormen, zijn steeds schijfachtiger geworden, en hun chaotische interne bewegingen zijn aanzienlijk afgenomen. Het heelal was veel rommeliger toen het nog maar een paar miljard jaar oud was!"

Evolutie over een paar honderd miljoen jaar (van boven naar beneden) van het gas rond een sterrenstelsel uit de TNG50-simulatie, met een actief superzwaar zwart gat in het midden. Het zwarte gat in het centrum van dit sterrenstelsel verbruikt gas uit zijn omgeving en genereert daarbij grote hoeveelheden energie. Het vrijkomen van deze energie produceert ultrasnelle winden, die zich snel uit de buurt van de melkweg uitbreiden en in omvang groeien om duizenden keren groter te worden dan ze begonnen. Deze door zwarte gaten aangedreven uitstromen bereiken snelheden van tienduizenden kilometers per seconde, hebben temperaturen van meer dan miljoenen graden, en grote hoeveelheden zware elementen met zich meedragen, zoals zuurstof, koolstof, en ijzer. De vier kolommen tonen, van links naar rechts, de evoluerende snelheid, temperatuur, dichtheid, en zwaar element inhoud rond de melkweg. De melkweg zelf is een koude (blauwe, tweede kolom), dicht (geel, derde kolom) schijf van stervormend gas zichtbaar als een kleine, verticale plaat in het midden van elke afbeelding. Credit:D. Nelson (MPA) en het IllustrisTNG-team. Licentietype Naamsvermelding (CC BY 4.0)

Terwijl deze sterrenstelsels plat worden, onderzoekers vonden een ander opkomend fenomeen, met de snelle uitstroom en winden van gas dat uit sterrenstelsels stroomt. Dit werd gelanceerd als gevolg van de explosies van massieve sterren (supernova's) en activiteit van superzware zwarte gaten in het hart van sterrenstelsels. Galactische gasvormige uitstromen zijn aanvankelijk ook chaotisch en stromen in alle richtingen weg, maar na verloop van tijd, ze beginnen meer gefocust te worden langs de weg van de minste weerstand.

In het late heelal, stromen uit sterrenstelsels hebben de vorm van twee kegels, die in tegengestelde richtingen tevoorschijn komen - zoals twee ijshoorntjes die tip aan tip zijn geplaatst, met de melkweg wervelend in het centrum. Deze materiaalstromen vertragen terwijl ze proberen de zwaartekrachtbron van de halo van onzichtbare of donkere materie in de melkweg te verlaten. en kan uiteindelijk vastlopen en terugvallen, het vormen van een galactische fontein van gerecycled gas. Dit proces herverdeelt gas van het centrum van een melkwegstelsel naar de buitenwijken, de transformatie van de melkweg zelf in een dunne schijf verder versnellen:galactische structuur vormt galactische fonteinen, en vice versa.

Het team van wetenschappers dat TNG50 heeft gemaakt (gebaseerd op Max-Planck-Institutes in Garching en Heidelberg, Harvard universiteit, MIT, en het Center for Computational Astrophysics (CCA)) zullen uiteindelijk alle simulatiegegevens vrijgeven aan de astronomiegemeenschap in het algemeen, maar ook voor het publiek. Hierdoor kunnen astronomen over de hele wereld hun eigen ontdekkingen doen in het TNG50-universum - en mogelijk aanvullende voorbeelden vinden van opkomende kosmische verschijnselen, van orde die uit chaos voortkomt.