Seit Mitte des 20. Jahrhunderts haben Wissenschaftler eine ziemlich gute Vorstellung davon, wie das Universum entstanden ist. Die kosmische Expansion und die Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) verliehen der Urknalltheorie Glaubwürdigkeit, und die beschleunigte Expansionsrate führte zu Theorien über Dunkle Energie. Dennoch gibt es viel über das frühe Universum, was Wissenschaftler noch nicht wissen, was erfordert, dass sie sich auf Simulationen der kosmischen Evolution verlassen.
Dies war traditionell ein kleines Problem, da die Simulation aufgrund der Einschränkungen des Rechnens entweder großräumig oder detailliert sein konnte, aber nicht beides. Ein Team von Wissenschaftlern aus Deutschland und den USA hat jedoch kürzlich die bislang detaillierteste groß angelegte Simulation abgeschlossen. Mit dieser hochmodernen Simulation, die als TNG50 bekannt ist, können Forscher untersuchen, wie sich der Kosmos sowohl im Detail als auch in großem Maßstab entwickelt hat.
TNG50 ist die neueste Simulation von IllustrisTNG, einem laufenden Projekt zur Erstellung großer kosmologischer Simulationen der Galaxienbildung. Es ist bahnbrechend, da es den traditionellen Kompromiss vermeidet, mit dem Astronomen zu kämpfen haben. Kurz gesagt, detaillierte Simulationen litten in der Vergangenheit unter geringem Volumen, was statistische Rückschlüsse auf die großräumige kosmische Evolution schwierig machte.
Bei großvolumigen Simulationen fehlt es traditionell an Details, um viele der kleinräumigen Eigenschaften des Universums zu reproduzieren, was ihre Vorhersagen weniger zuverlässig macht. Das TNG50 ist die erste Simulation dieser Art, bei der es gelingt, die Idee von Großsimulationen - das Konzept „Universum in einer Box“ - mit der Auflösung zu kombinieren, die bisher nur mit Galaxiensimulationen möglich war.
Möglich wurde dies durch den Supercomputer Hazel Hen in Stuttgart, bei dem 16.000 Kerne mehr als ein Jahr lang zusammengearbeitet haben - die bislang längste und ressourcenintensivste Simulation. Die Simulation selbst besteht aus einem Raumwürfel mit einem Durchmesser von mehr als 230 Millionen Lichtjahren, der mehr als 20 Milliarden Partikel enthält, die Dunkle Materie, Sterne, kosmisches Gas, Magnetfelder und supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) darstellen.
TNG50 kann auch physikalische Phänomene erkennen, die auf Skalen bis zu einem Millionstel des Gesamtvolumens (d. H. 230 Lichtjahre) auftreten. Auf diese Weise kann die Simulation die gleichzeitige Entwicklung von Tausenden von Galaxien im Verlauf von 13,8 Milliarden Jahren kosmischer Geschichte verfolgen. Die Ergebnisse ihrer Simulation wurden in zwei Artikeln veröffentlicht, die kürzlich in der Zeitschrift erschienen sind Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Beide Studien wurden von Dr. Annalisa Pillepich vom Max-Planck-Institut für Astronomie und Dr. Dylan Nelson vom Max-Planck-Institut für Astrophysik geleitet. Wie Dylan in einer RAS-Pressemitteilung erklärte:
„Numerische Experimente dieser Art sind besonders erfolgreich, wenn Sie mehr herausholen als Sie eingeben. In unserer Simulation sehen wir Phänomene, die nicht explizit in den Simulationscode programmiert wurden. Diese Phänomene entstehen auf natürliche Weise aus dem komplexen Zusammenspiel der grundlegenden physikalischen Bestandteile unseres Modelluniversums. “
Darüber hinaus ist TNG50 die erste Simulation dieser Art für zwei neu auftretende Phänomene, die eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Galaxien spielen. Zunächst bemerkte das Forscherteam, dass im Rückblick auf die Zeit geordnete, schnell rotierende Scheibengalaxien (wie die Milchstraße) aus anfangs chaotischen Gaswolken hervorgingen.
Als sich dieses Gas absetzte, nahmen neugeborene Sterne zunehmend kreisförmige Bahnen an und wichen schließlich großen Spiralgalaxien. Wie Dr. Annalisa Pillepich erklärte:
„In der Praxis zeigt TNG50, dass sich unsere eigene Milchstraße mit ihrer dünnen Scheibe auf dem Höhepunkt der Galaxienmode befindet: In den letzten 10 Milliarden Jahren sind zumindest jene Galaxien, die immer noch neue Sterne bilden, immer scheibenartiger geworden. und ihre chaotischen inneren Bewegungen haben beträchtlich abgenommen. Das Universum war viel chaotischer, als es nur ein paar Milliarden Jahre alt war! “
Das zweite aufkommende Phänomen trat auf, als sich die Galaxien in der Simulation abflachten, wo schnelle Gaswinde aus Galaxien strömen. Dies wurde durch Supernovae-Explosionen und Aktivitäten von SMBHs im Herzen der simulierten Galaxien angetrieben. Wieder einmal war der Prozess anfangs chaotisch, da Gas in alle Richtungen ausströmte, sich aber schließlich auf einem Weg des geringsten Widerstands stärker konzentrierte.
In der gegenwärtigen kosmologischen Epoche werden diese Strömungen kegelförmig und fließen von den entgegengesetzten Enden der Galaxie, wobei sich das Material verlangsamt, wenn es die unsichtbare Schwerkraftquelle des Halos der dunklen Materie der Galaxie verlässt. Schließlich fließt dieses Material nicht mehr nach außen und fällt zurück und wird so zu einem galaktischen Brunnen aus recyceltem Gas.
Mit anderen Worten, diese Simulation ist auch die erste ihrer Art, die zeigt, wie die Geometrie des kosmischen Gases, das um Galaxien fließt, deren Strukturen bestimmt (und umgekehrt). Für ihre Arbeit wurden Dr. Pillepich und Dr. Nelson mit dem Golden Spike Award 2019 ausgezeichnet, der vom Hochleistungsrechenzentrum in Stuttgart an Mitglieder der internationalen Forschungsgemeinschaft vergeben wird.
Dr. Nelson und ihre Kollegen pflanzen auch, um schließlich alle TNG50-Simulationsdaten für die astronomische Gemeinschaft und die Öffentlichkeit freizugeben. Auf diese Weise können Astronomen und Bürgerwissenschaftler ihre eigenen Entdeckungen aus der Simulation machen, die zusätzliche Beispiele für aufkommende kosmische Phänomene oder Auflösungen für dauerhafte kosmische Mysterien enthalten könnten.
