TGN50: Αυτή είναι η καλύτερη προσομοίωση του Σύμπαντος που έχεις δει

Δεν είναι η πρώτη φορά που βλέπουμε προσομοίωση του Σύμπαντος σε video, μιας και αρκετά ερευνητικά ιδρύματα έχουν επιχειρήσει να εκμεταλλευτούν τους υπερυπολογιστές τους για να μεταφέρουν σε εικόνα το τί μπορεί να συνέβη στον κόσμο μας από το Big Bang μέχρι και σήμερα. Είναι φυσιολογικό, ωστόσο, να έρχονται στο προσκήνιο διαρκώς νέες προσπάθειες, από τη στιγμή που η υπολογιστική ισχύς αυξάνεται και γίνεται ευκολότερη η απεικόνιση των θεωρητικών μοντέλων με ακρίβεια και λεπτομέρεια.

Η νέα προσπάθεια που αξίζει της προσοχής μας προέρχεται από τη συνεργασία Γερμανών και Αμερικανών ερευνητών, οι οποίοι ολοκλήρωσαν πρόσφατα την πιο λεπτομερή προσομοίωση που έχουμε δει μέχρι σήμερα, τόσο σε βάθος όσο και σε μέγεθος. Το project ονομάζεται TNG50 και δημιουργήθηκε με τη βοήθεια του υπερυπολογιστή Hazel Hen στη Στουτγκάρδη, οι 16.000 πυρήνες του οποίου δούλεψαν για κάτι παραπάνω από έναν χρόνο ώστε να εξάγουν το τελικό αποτέλεσμα.

Η προσομοίωση περιλαμβάνει ένα κομμάτι του Σύμπαντος με διάμετρο μεγαλύτερη από 230 εκατομμύρια έτη φωτός και περισσότερα από 20 δισεκατομμύρια σωματίδια που αντιπροσωπεύουν τη σκοτεινή ύλη, τα αστέρια, κοσμικές αέριες μάζες, μαγνητικά πεδία και μαύρες τρύπες. Το TNG50 μπορεί επίσης να διακρίνει φυσικά φαινόμενα που συμβαίνουν σε κλίμακα του ενός εκατομμυριοστού του συνολικού όγκου (τα 230 εκατ. έτη φωτός), με αποτέλεσμα να παρακολουθεί την εξέλιξη χιλιάδων γαλαξιών στην πορεία των 13.8 δισ. ετών φωτός της ιστορίας του Σύμπαντος μας (μετά το Big Bang).

Τα αποτελέσματα των ερευνών δημοσιεύθηκαν σε δύο papers στο επιστημονικό περιοδικό Monthly Notices του Royal Astronomical Society. Αμφότερες είχαν ως επικεφαλείς τους Dr. Annalisa Pillepich από το τμήμα Αστρονομίας του Max Planck Institute και. Dr. Dylan Nelson από το τμήμα Αστροφυσικής του Max Planck Institute.

Όπως δήλωσε ο τελευταίος,

Τα αριθμητικά πειράματα αυτού του είδους κρίνονται ιδιαίτερα επιτυχημένα όταν παίρνεις πίσω περισσότερα από αυτά που τοποθετείς στην προσομοίωση. Στη δική μας περίπτωση, παρατηρούμε φαινόμενα που δεν είχαν προγραμματιστεί με συγκεκριμένο τρόπο στον κώδικα μας. Αυτά τα φαινόμενα λαμβάνουν χώρα με φυσιολογικό τρόπο μέσα από την πολυπλοκότητα του μοντέλου μας για το Σύμπαν.

Επιπλέον, το TNG50 είναι η πρώτη προσομοίωση αυτού του είδους που παρατηρεί δύο κρίσιμα φαινόμενα για την εξέλιξη των γαλαξιών.

Πρωτίστως, οι ερευνητές παρατήρησαν πως καθώς κοιτούσαν πίσω στο χρόνο, οι περιστρεφόμενοι γαλαξίες σε σχήμα δίσκου (όπως ο Γαλαξίας μας - Milky Way) προέκυψαν από ένα αρχικά χαοτικό αέριο νεφέλωμα. Καθώς ηρεμούσε αυτό το νέφος, τα νεαρά αστέρια άρχισαν να ακολουθούν κυκλικές τροχιές, με αποτέλεσμα σταδιακά να δώσουν το σχήμα των σπειροειδών γαλαξιών.

Η Dr. Annalisa Pillepich εξηγεί:

Πρακτικά, το TNG50 μας δείχνει πως ο γαλαξίας μας (Milky Way) ακολουθεί την “μόδα”. Εδώ και περισσότερα από 10 δισ. χρόνια, αυτού του τύπου οι γαλαξίες εξακολουθούν να δημιουργούν νέα αστέρια και το σχήμα τους μοιάζει ολοένα και περισσότερο με αυτό του δίσκου, ενώ οι αρχικές χαοτικές κινήσεις τους μειώνονται σημαντικά. Το Σύμπαν ήταν πολύ πιο άτακτα δομημένο στα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της ζωής του.

Το δεύτερο φαινόμενο παρατηρήθηκε από τους ερευνητές όταν οι γαλαξίες άρχισαν να γίνονται επίπεδοι στην προσομοίωση. Οι αέριες μάζες που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα άρχισαν να ξεχειλίζουν από τους γαλαξίες, κάτι που οφείλεται από τις εκρήξεις αστέρων (σουπερνόβα) και τη δραστηριότητα των μαύρων τρυπών στην καρδιά των γαλαξιών. Και σε αυτήν την περίπτωση, αρχικά παρατηρείται χαοτική κίνηση με τις αέριες μάζες να φεύγουν προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλά σταδιακά η κίνηση τους ακολουθεί την κατεύθυνση όπου συναντούν τη μικρότερη αντίσταση.

Σύμφωνα με τις σημερινές θεωρίες Κοσμολογίας, αυτές οι ροές αερίων τείνουν να πάρουν σχήμα κώνου και να ρέουν από τις αντίθετες πλευρές του γαλαξία με σταδιακή μείωση της ταχύτητας τους. Τελικά, αυτή η αέρια μάζα σταματά να “χύνεται” έξω από τον γαλαξία και επιστρέφει στο εσωτερικό του, δημιουργώντας ένα γαλαξιακό συντριβάνι ανακυκλωμένου αερίου. Είναι η πρώτη φορά που μια προσομοίωση δείχνει πως η γεωμετρία του κοσμικού αερίου που διατρέχει τους γαλαξίες διαμορφώνει παράλληλα και το σχήμα τους, αλλά και το αντίστροφο.

Για τη δουλειά τους, οι Dr. Pillepich και Dr. Nelson βραβεύτηκαν με το Golden Spike Award 2019 από το High-Performance Computer Centre της Στουτγκάρδης. Σύντομα θα διαθέσουν τα δεδομένα της προσομοίωσης στο κοινό και την κοινότητα της Αστρονομίας για περαιτέρω έρευνες.