Nya beräkningsmetoder har hjälpt till att skapa den mest informationsfyllda simulering i universums skala som någonsin producerats. Det nya verktyget ger ny inblick i hur svarta hål påverkar fördelningen av mörk materia, hur tunga element produceras och distribueras i hela kosmos, och varifrån magnetfält har sitt ursprung.

Leds av huvudutredaren Volker Springel vid Heidelberg Institute for Theoretical Studies, astrofysiker från Max Planck Institutes for Astronomy (MPIA, Heidelberg) och Astrofysik (MPA, Garching), Harvard Universitet, Massachusetts Institute of Technology (MIT), och Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics (CCA) utvecklade och programmerade den nya universumsimuleringsmodellen, kallad Illustris:The Next Generation, eller IllustrisTNG.

Modellen är den mest avancerade universumsimuleringen i sitt slag, säger blyg Genel, en associerad forskare vid CCA som hjälpte till att utveckla och finslipa IllustrisTNG. Simuleringens detaljer och skala gör att Genel kan studera hur galaxer bildas, utvecklas och växa i takt med sin stjärnbildande aktivitet. "När vi observerar galaxer med hjälp av ett teleskop, vi kan bara mäta vissa mängder, "säger han." Med simuleringen, vi kan spåra alla egenskaper för alla dessa galaxer. Och inte bara hur galaxen ser ut nu, men hela dess bildningshistoria. "Att kartlägga hur galaxer utvecklas i simuleringen ger en glimt av hur vår egen Vintergatans galax kan ha varit när jorden bildades och hur vår galax kan förändras i framtiden, han säger.

Mark Vogelsberger, en biträdande professor i fysik vid MIT och MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, har arbetat med att utveckla, testa och analysera de nya IllustrisTNG -simuleringarna. Tillsammans med postdoktorer Federico Marinacci och Paul Torrey, Vogelsberger har använt IllustrisTNG för att studera de observerbara signaturerna från storskaliga magnetfält som genomsyrar universum.

"Den höga upplösningen av IllustrisTNG i kombination med dess sofistikerade galaxbildningsmodell gjorde att vi kunde utforska dessa frågor om magnetfält mer detaljerat än med tidigare kosmologiska simuleringar, säger Vogelsberger, en av författarna till de tre tidningarna som publicerades idag i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

Modellera ett (mer) realistiskt universum

IllustrisTNG är en efterföljarmodell för den ursprungliga Illustris -simuleringen som utvecklats av samma forskargrupp, men det har uppdaterats för att inkludera några av de fysiska processer som spelar avgörande roller i bildandet och utvecklingen av galaxer.

Liksom Illustris, projektet modellerar ett kubformat universum som är mindre än vårt eget. Den här gången, projektet följde bildandet av miljoner galaxer i en representativ region i ett universum med nästan 1 miljard ljusår per sida (upp från 350 miljoner ljusår per sida för bara fyra år sedan). lllustrisTNG är det hittills största hydrodynamiska simuleringsprojektet för uppkomsten av kosmiska strukturer, säger Springel, även MPA och Heidelberg University.

Den kosmiska banan av gas och mörk materia som förutspås av IllustrisTNG producerar galaxer som liknar riktiga galaxer i form och storlek. För första gången, hydrodynamiska simuleringar kan direkt beräkna det detaljerade klustermönstret för galaxer i rymden. I jämförelse med observationsdata - till exempel data från den kraftfulla Sloan Digital Sky Survey - visar simuleringarna från IllustrisTNG en hög grad av realism, säger Springel.

Dessutom, simuleringarna förutsäger hur den kosmiska webben förändras över tiden, särskilt i förhållande till den mörka materien som ligger till grund för kosmos. "Det är särskilt fascinerande att vi exakt kan förutsäga påverkan av supermassiva svarta hål på fördelningen av materia till stora skalor, "säger Springel." Detta är avgörande för att på ett tillförlitligt sätt tolka kommande kosmologiska mätningar. "

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

I en annan studie, 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."