Simulace vesmíru: příští generace

Nová sada kosmologických simulací známých jako Illustris: Nová generace osvětluje propojené kosmické procesy, které utvářejí vesmír.

Screenshot ze simulace IllustrisTNG.
IllustrisTNG

Téměř 10 let mezinárodní tým astrofyziků pracuje na projektu simulujícím vývoj vesmíru, od doby těsně po Velkém třesku až do současnosti. Před čtyřmi lety byly tyto simulace, známé jako Illustris, první, které přesně replikovaly rozmanitost galaxií, které pozorujeme ve skutečném vesmíru, a produkovaly red a dead elipticals, hvězdotvorné spirály a exotičtější systémy.

Nedávné oznámení však přináší novou úroveň sofistikovanosti ke stolu. První tři příspěvky od Illustris: The Next Generation (IllustrisTNG) simulují mnohem větší část vesmíru ve vyšším rozlišení než jeho předchůdce.

Přestože IllustrisTNG stále není ve velkém, celosvětovém měřítku simulací, které sledují pouze interakci temné hmoty s gravitací, je dostatečně velký, aby poskytoval kosmologický kontext pro procesy, které monitoruje. Přestože IllustrisTNG není tak granulární jako simulace zoom-in, které sledují vývoj v malém měřítku v jedné galaxii, zachycuje fyzikální principy vývoje plynu, hvězd a galaxií. Tato nová sada simulací jako takový představuje velký krok k přemostění fyziky malého rozsahu s vývojem ve velkém měřítku.

Pro jeden simulační běh použil IllustrisTNG v průběhu více než dvou měsíců 24 000 procesorů na nejrychlejším superpočítači v Německu: Hazel-Hen v superpočítačovém centru ve Stuttgartu. Tyto simulace vytvořily více než 500 terabajtů dat více než trojnásobek informací, které Hubble Space Telescope shromažďoval během celé své životnosti.

Tato nová data nabízejí vhled do základních astrofyzikálních procesů, včetně růstu a vývoje kosmických magnetických polí a galaxií, jakož i roli, kterou hrají černé díry při ovlivňování distribuce temné hmoty a ničení galaktických hvězd.

Tato vizualizace ukazuje plyn (modrý) obklopující struktury temné hmoty (oranžovo / bílá).
IllustrisTNG

Například Annalisa Pillepich (Max Planck Institute for Astronomy, Germany) a její kolegové předpovídají, jak by měla vypadat slabá hvězdná záře kolem velkých galaxií. Když se malé galaxie násilně srazí, ztratí hvězdy, které se přemístí na halo kolem nově sloučené galaxie. Výsledky IllustrisTNG ukazují, že tento halo může nabývat nejrůznějších tvarů v závislosti na tom, jak se formovala galaxie. Nyní mohou astronomové porovnávat pozorování hvězdného halou v reálném světě s výsledky simulace, což dává historii sestavení této galaxie. Taková srovnání by mohla odhalit, jak neviditelné halos temné hmoty vytváří kosmickou strukturu, jako jsou kupy galaxií a vlákna, která je spojují.

Klíčem k tomuto a dalším poznatkům je obohacení fyziky obsažené v simulacích. Například předchozí pokusy o simulaci vesmíru pro jednoduchost vynechaly magnetická pole. Mark Vogelsberger (MIT) však zdůrazňuje, že „magnetická pole mohou ovlivnit formování galaxií a hvězd, takže je důležité je správně modelovat.“

Federico Marinacci (MIT), Vogelsberger a jeho kolegové studují, jak se ve vesmíru IllustrisTNG vytvářejí a rostou magnetická pole ve velkém měřítku. Zjistili, že turbulence v horkých, rozptýlených plynech v srdci galaxií pohání dynama malého měřítka, která mohou exponenciálně zesílit magnetická pole. Síla těchto zesílených polí odpovídá pozorování. O málo známém tom, odkud magnetická pole pocházejí nebo jakou přesnou roli hrají v různých kosmických procesech, se očekává, že tyto záhady osvětlí další výsledky z IllustrisTNG.


Tento film vizualizuje vývoj kosmických magnetických polí: modré / fialové oblasti mají nízkou magnetickou energii, obvykle podél vláken kosmické sítě, zatímco oranžové / bílé oblasti označují oblasti s vyšší magnetickou energií, obvykle uvnitř halo a galaxií. Tato simulace je široká 30 milionů světelných let.
Spolupráce IllustrisTNG

Astrofyzici také vylepšili přesnost IllustrisTNG porovnáním svých původních simulací Illustris s pozorováním. Například si uvědomili, že model toho, jak supermasivní černé díry pohlcují plyn a vyplivují ho, je příliš násilný, protože z hostitelské galaxie odstraňuje příliš mnoho plynu. Výsledkem je přepsání modelu na základě zpětné vazby, která nevede k masivním ztrátám plynu. S tímto novým modelem Dylan Nelson (Max Planck Institute for Astronomy) a tým Illustris našli přesvědčivé důkazy, že trysky černé díry mohou zastavit galaxie určité hmoty v porodu nových hvězd.

V větších galaxiích simulace jsou černé díry schopny dodávat okolnímu plynu dostatek energie, aby zabránily jeho ochlazení a roztříštění na hvězdy, “vysvětluje hlavní vyšetřovatel IllustrisTNG Volker Springel (Heidelberg University, Německo).


Toto video sleduje vytvoření obrovské spirálové galaxie ukazující světlo z jeho hvězd v oblasti zhruba 1 milionu světelných let. Galaxie vytváří hvězdy rychle, dokud se nespojí s galaktickým společníkem téměř stejné hmotnosti (přibližně z ~ 0, 3).
Spolupráce IllustrisTNG

Astronomové a astrofyzici se budou i nadále učit od IllustrisTNG o vzájemně propojených kosmických procesech, které formovaly náš vesmír. Tým za simulacemi však zatím nezůstává na svých vavřínech: „Stále existuje mnoho věcí, které bychom rádi v budoucích výpočtech dělali lépe, “ poznamenává Springel.

Například, ačkoli největší simulace IllustrisTNG probíhaly v krabici téměř 1 miliardu světelných let na straně, je tento objem pro kosmologické simulace relativně malý. Tým se bude snažit posunout simulace na nové limity. Springel a jeho spolupracovníci již také pracují na přidání ještě více fyziky do směsi, včetně vysoce energetických částic známých jako kosmické paprsky, které mohou být důležité při regulaci tvorby hvězd, a nových metod simulace obsahu prachu v galaxiích.


Jak péct vesmír? Nejprve potřebujete ty správné ingredience. Přečtěte si více v titulním příběhu čísla Sky & Telescope z května 2017 .