Dalla metà del XX secolo, gli scienziati hanno avuto un'idea abbastanza precisa di come sia nato l'Universo. Espansione cosmica e scoperta del Sfondo cosmico a microonde (CMB) ha dato credibilità al Teoria del Big Bang , e l'accelerazione del tasso di espansione ha portato a teorie su Energia oscura . Tuttavia, c'è molto dell'Universo primordiale che gli scienziati ancora non conoscono, il che richiede che si basino su simulazioni sull'evoluzione cosmica.
Questo ha tradizionalmente posto un po' di un problema poiché i limiti dell'informatica significavano che la simulazione poteva essere su larga scala o dettagliata, ma non entrambe le cose. Tuttavia, un team di scienziati provenienti dalla Germania e dagli Stati Uniti ha recentemente completato il simulazione su larga scala più dettagliata ad oggi. Conosciuto come TNG50 , questa simulazione all'avanguardia consentirà ai ricercatori di studiare come il cosmo si è evoluto sia in dettaglio che su larga scala.
TNG50 è l'ultima simulazione prodotta da IllustrisTNG, un progetto in corso dedicato alla creazione di grandi simulazioni cosmologiche della formazione di galassie. È rivoluzionario in quanto evita i tradizionali compromessi con cui gli astronomi sono costretti a fare i conti. In breve, le simulazioni dettagliate hanno sofferto di un volume ridotto in passato, il che ha reso difficili le deduzioni statistiche sull'evoluzione cosmica su larga scala.
Le simulazioni di grandi volumi, d'altra parte, mancano tradizionalmente dei dettagli per riprodurre molte delle proprietà su piccola scala di quelle dell'Universo, il che rende le loro previsioni meno affidabili. Il TNG50 è la prima simulazione del suo genere in quanto riesce a combinare l'idea di simulazioni su larga scala - il concetto di 'Universo in una scatola' - con il tipo di risoluzione che in precedenza era possibile solo con le simulazioni di galassie.
Ciò è stato reso possibile dal supercomputer Hazel Hen a Stoccarda, dove 16.000 core hanno lavorato insieme per più di un anno: la simulazione più lunga e dispendiosa in termini di risorse fino ad oggi. La simulazione stessa consiste in un cubo di spazio che misura più di 230 milioni di anni luce di diametro che contiene più di 20 miliardi di particelle che rappresentano materia oscura, stelle, gas cosmico, campi magnetici e buchi neri supermassicci (SMBH).
TNG50 può anche discernere fenomeni fisici che si verificano su scale fino a un milionesimo del volume complessivo (cioè 230 anni luce). Ciò consente alla simulazione di tracciare l'evoluzione simultanea di migliaia di galassie nel corso di 13,8 miliardi di anni di storia cosmica. I risultati della loro simulazione sono stati pubblicati in due articoli apparsi di recente sulla rivista Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .
Entrambi gli studi sono stati condotti dalla Dott.ssa Annalisa Pillepich del Istituto Max Planck per l'astronomia , e il dottor Dylan Nelson del Istituto Max Planck per l'astrofisica . come Dylan spiegato in un comunicato stampa RAS:
“Esperimenti numerici di questo tipo hanno particolarmente successo quando si ottiene più di quanto si inserisca. Nella nostra simulazione, vediamo fenomeni che non erano stati programmati esplicitamente nel codice di simulazione. Questi fenomeni emergono in modo naturale, dalla complessa interazione degli ingredienti fisici di base del nostro universo modello”.
Questa illustrazione mostra l'evoluzione dell'Universo, dal Big Bang a sinistra, ai tempi moderni a destra. Immagine: NASA
Inoltre, TNG50 è la prima simulazione del suo genere di due fenomeni emergenti che giocano un ruolo chiave nell'evoluzione delle galassie. Innanzitutto, il team di ricerca ha notato che, guardando indietro nel tempo, le galassie a disco ordinate e in rapida rotazione (come la Via Lattea) sono emerse da nuvole di gas inizialmente caotiche.
Quando questo gas si è depositato, le stelle appena nate hanno adottato orbite sempre più circolari, lasciando infine il posto a grandi galassie a spirale. Come la Dott.ssa Annalisa Pillepich spiegato :
“In pratica, TNG50 mostra che la nostra galassia della Via Lattea con il suo disco sottile è all'apice della moda delle galassie: negli ultimi 10 miliardi di anni, almeno quelle galassie che stanno ancora formando nuove stelle sono diventate sempre più simili a dischi, e i loro caotici moti interni sono notevolmente diminuiti. L'Universo era molto più disordinato quando aveva solo pochi miliardi di anni!'
Il secondo fenomeno emergente è apparso quando le galassie si sono appiattite nella simulazione, dove sono stati visti venti di gas ad alta velocità fluire fuori dalle galassie. Ciò è stato determinato dalle esplosioni di supernova e dall'attività delle SMBH nel cuore delle galassie simulate. Ancora una volta, il processo è stato inizialmente caotico con il gas che scorreva in tutte le direzioni, ma alla fine si è concentrato maggiormente lungo un percorso di minor resistenza.
Una nuova ricerca suggerisce che la materia oscura possa esistere in gruppi distribuiti in tutto il nostro universo. Credito: Istituto Max-Planck per l'astrofisica
Con l'attuale epoca cosmologica, questi flussi diventano a forma di cono e fluiscono dalle estremità opposte della galassia, con il materiale che rallenta mentre lascia il pozzo di gravità invisibile dell'alone di materia oscura della galassia. Alla fine, questo materiale smette di fluire verso l'esterno e inizia a ricadere all'interno, diventando di fatto una fontana galattica di gas riciclato.
In altre parole, questa simulazione è anche la prima nel suo genere a mostrare come la geometria dei flussi di gas cosmici attorno alle galassie ne determini le strutture (e viceversa). Per il loro lavoro, il Dr. Pillepich e il Dr. Nelson hanno ricevuto il Premio Spike d'Oro 2019 , rilasciato ai membri della comunità di ricerca internazionale dal Centro di calcolo ad alte prestazioni a Stoccarda, Germania.
Il Dr. Pillepich e il Dr. Nelson e i loro colleghi hanno anche intenzione di rilasciare tutti i dati della simulazione TNG50 alla comunità astronomica e al pubblico. Ciò consentirà agli astronomi e ai cittadini scienziati di fare le proprie scoperte dalla simulazione, che potrebbero includere ulteriori esempi di fenomeni cosmici emergenti o risoluzioni di misteri cosmici duraturi.
Ulteriori letture: Società Astronomica Reale , MNRAS , MNRA (2)
