Nieuwe computationele methoden hebben bijgedragen aan het creëren van de meest informatierijke simulatie op universum-schaal die ooit is geproduceerd. De nieuwe tool biedt nieuwe inzichten in hoe zwarte gaten de verspreiding van donkere materie beïnvloeden, hoe zware elementen worden geproduceerd en verspreid door de kosmos, en waar magnetische velden ontstaan.

Onder leiding van hoofdonderzoeker Volker Springel van het Heidelberg Instituut voor Theoretische Studies, astrofysici van de Max Planck Institutes for Astronomy (MPIA, Heidelberg) en astrofysica (MPA, Garchen), Harvard universiteit, het Massachusetts Institute of Technology (MIT), en het Centre for Computational Astrophysics (CCA) van het Flatiron Institute heeft het nieuwe universum-simulatiemodel ontwikkeld en geprogrammeerd, genaamd Illustris:The Next Generation, of IllustrisTNG.

Het model is de meest geavanceerde universum-simulatie in zijn soort, zegt verlegen Genel, een associate research scientist bij CCA die heeft geholpen bij het ontwikkelen en aanscherpen van IllustrisTNG. Dankzij het detail en de schaal van de simulatie kan Genel bestuderen hoe sterrenstelsels ontstaan, evolueren en groeien samen met hun stervormingsactiviteit. "Als we sterrenstelsels observeren met een telescoop, we kunnen alleen bepaalde hoeveelheden meten, "zegt hij. "Met de simulatie, we kunnen alle eigenschappen van al deze sterrenstelsels volgen. En niet alleen hoe de melkweg er nu uitziet, maar zijn hele formatiegeschiedenis." Door de manier waarop sterrenstelsels evolueren in de simulatie in kaart te brengen, krijg je een glimp van hoe ons eigen Melkwegstelsel eruit zou kunnen zien toen de aarde werd gevormd en hoe ons sterrenstelsel in de toekomst zou kunnen veranderen, hij zegt.

Mark Vogelsberger, een assistent-professor natuurkunde aan het MIT en het MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, heeft gewerkt aan de ontwikkeling, test en analyseer de nieuwe IllustrisTNG-simulaties. Samen met postdoctoraal onderzoekers Federico Marinacci en Paul Torrey, Vogelsberger heeft IllustrisTNG gebruikt om de waarneembare handtekeningen te bestuderen van grootschalige magnetische velden die het universum doordringen.

"De hoge resolutie van IllustrisTNG in combinatie met zijn geavanceerde melkwegvormingsmodel stelde ons in staat om deze vragen over magnetische velden in meer detail te onderzoeken dan met eerdere kosmologische simulaties, " zegt Vogelsberger, een van de auteurs van de drie artikelen die vandaag zijn gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .

Een (meer) realistisch universum modelleren

IllustrisTNG is een opvolger van de originele Illustris-simulatie die is ontwikkeld door hetzelfde onderzoeksteam, maar het is bijgewerkt en bevat enkele van de fysieke processen die een cruciale rol spelen bij de vorming en evolutie van sterrenstelsels.

Net als Illustris, het project modelleert een kubusvormig universum dat kleiner is dan het onze. Deze keer, het project volgde de vorming van miljoenen sterrenstelsels in een representatief gebied van een universum met bijna 1 miljard lichtjaar per zijde (tegenover 350 miljoen lichtjaar per zijde slechts vier jaar geleden). lllustrisTNG is het grootste hydrodynamische simulatieproject tot nu toe voor de opkomst van kosmische structuren, zegt Springel, ook van MPA en de Universiteit van Heidelberg.

Het door IllustrisTNG voorspelde kosmische web van gas en donkere materie produceert sterrenstelsels die qua vorm en grootte sterk lijken op echte sterrenstelsels. Voor de eerste keer, hydrodynamische simulaties zouden het gedetailleerde clusterpatroon van sterrenstelsels in de ruimte direct kunnen berekenen. In vergelijking met waarnemingsgegevens - zoals de gegevens van de krachtige Sloan Digital Sky Survey - tonen de simulaties van IllustrisTNG een hoge mate van realisme, zegt Springel.

In aanvulling, de simulaties voorspellen hoe het kosmische web in de loop van de tijd verandert, vooral in relatie tot de donkere materie die ten grondslag ligt aan de kosmos. "Het is bijzonder fascinerend dat we de invloed van superzware zwarte gaten op de verspreiding van materie op grote schaal nauwkeurig kunnen voorspellen, ", zegt Springel. "Dit is cruciaal voor een betrouwbare interpretatie van toekomstige kosmologische metingen."

Astrophysics via code and supercomputers

For the project, the researchers developed a particularly powerful version of their highly parallel moving-mesh code AREPO and used it on the Hazel Hen machine, Germany's fastest mainframe computer, at the High Performance Computing Center Stuttgart. To compute one of the two main simulation runs, the team employed more than 24, 000 processors over the course of more than two months. "The new simulations produced more than 500 terabytes of simulation data, " says Springel. "Analyzing this huge mountain of data will keep us busy for years to come, and it promises many exciting new insights into different astrophysical processes."

Supermassive black holes squelch star formation

In another study, Dylan Nelson, a researcher at MPA, was able to demonstrate the impact of black holes on galaxies. Star-forming galaxies shine brightly in the blue light of their young stars until a sudden evolutionary shift halts the star formation, so that the galaxy becomes dominated by old, red stars and joins a graveyard full of old and dead galaxies.

"The only physical entity capable of extinguishing the star formation in our large elliptical galaxies are the supermassive black holes at their centers, " explains Nelson. "The ultrafast outflows of these gravity traps reach velocities up to 10 percent of the speed of light and affect giant stellar systems that are billions of times larger than the comparably small black hole itself."

New findings for galaxy structure

IllustrisTNG also improves our understanding of the hierarchical structure of galaxy formation. Theorists argue that small galaxies should form first and then merge into ever-larger objects, driven by the relentless pull of gravity. The numerous galaxy collisions literally tear some galaxies apart and scatter their stars into wide orbits around the newly created large galaxies, which should give the galaxies a faint background glow of stellar light. These predicted pale stellar halos are very difficult to observe due to their low surface brightness, but IllustrisTNG was able to simulate exactly what astronomers should be looking for.

"Our predictions can now be systematically checked by observers, " says Annalisa Pillepich, a researcher at MPIA, who led a further IllustrisTNG study. "This yields a critical test for the theoretical model of hierarchical galaxy formation."