Forskare från Tyskland och USA har avslöjat resultaten av en nyligen avslutad, toppmodern simulering av galaxernas utveckling. TNG50 är den mest detaljerade storskaliga kosmologiska simuleringen hittills. Det låter forskare studera i detalj hur galaxer bildas, och hur de har utvecklats sedan kort efter Big Bang. För första gången, det avslöjar att geometrin hos de kosmiska gasflödena runt galaxer bestämmer galaxernas strukturer, och vice versa. Forskarna publicerar sina resultat i två artiklar i tidskriften Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

Astronomer som kör kosmologiska simuleringar står inför en grundläggande kompromiss:med ändlig beräkningskraft, typiska simuleringar hittills har antingen varit mycket detaljerade eller har sträckt sig över en stor volym virtuellt utrymme, men har hittills inte kunnat göra båda. Detaljerade simuleringar med begränsade volymer kan inte modellera mer än ett fåtal galaxer, gör statistiska avdrag svåra. Simuleringar med stora volymer, i tur och ordning, saknar vanligtvis de detaljer som krävs för att reproducera många av de småskaliga egenskaperna vi observerar i vårt eget universum, minska deras prediktiva kraft.

TNG50-simuleringen, som just har publicerats, lyckas undvika denna avvägning. För första gången, den kombinerar idén om en storskalig kosmologisk simulering - ett universum i en låda - med beräkningsupplösningen av "zoom"-simuleringar, på en detaljnivå som tidigare endast varit möjlig för studier av enskilda galaxer.

I en simulerad kub av rymden som är mer än 230 miljoner ljusår tvärs över, TNG50 kan urskilja fysiska fenomen som inträffar på skalor en miljon gånger mindre, spårar den samtidiga utvecklingen av tusentals galaxer under 13,8 miljarder år av kosmisk historia. Det gör det med mer än 20 miljarder partiklar som representerar mörk (osynlig) materia, stjärnor, kosmisk gas, magnetiska fält, och supermassiva svarta hål. Själva beräkningen krävde 16, 000 kärnor på Hazel Hen-superdatorn i Stuttgart, arbetar tillsammans, 24/7, i mer än ett år – motsvarande femton tusen år på en enda processor, vilket gör det till en av de mest krävande astrofysiska beräkningarna hittills.

De första vetenskapliga resultaten från TNG50 publiceras av ett team som leds av Dr. Annalisa Pillepich (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg) och Dr. Dylan Nelson (Max Planck Institute for Astrophysics, Garching) och avslöjar oförutsedda fysiska fenomen. Enligt Nelson:"Numeriska experiment av det här slaget är särskilt framgångsrika när du får ut mer än du stoppar in. I vår simulering, vi ser fenomen som inte hade programmerats explicit i simuleringskoden. Dessa fenomen uppstår på ett naturligt sätt, från det komplexa samspelet mellan de grundläggande fysiska ingredienserna i vårt modelluniversum."

TNG50 har två framträdande exempel på denna typ av framväxande beteende. Den första gäller bildandet av "skivgalaxer" som vår egen Vintergatan. Att använda simuleringen som en tidsmaskin för att spola tillbaka utvecklingen av kosmisk struktur, forskare har sett hur välordnade, snabbt roterande skivgalaxer (som är vanliga i vårt närliggande universum) kommer fram ur kaotiska, oorganiserad, och mycket turbulenta gasmoln vid tidigare epoker.

När gasen lägger sig, nyfödda stjärnor finns vanligtvis på fler och fler cirkulära banor, så småningom bildar stora spiralgalaxer - galaktiska karuseller. Annalisa Pillepich förklarar:"I praktiken, TNG50 visar att vår egen Vintergatans galax med sin tunna skiva är på höjden av galaxmodet:under de senaste 10 miljarder åren, åtminstone de galaxer som fortfarande bildar nya stjärnor har blivit mer och mer skivliknande, och deras kaotiska inre rörelser har minskat avsevärt. Universum var mycket stökigare när det bara var några miljarder år gammalt!"

När dessa galaxer planar ut, forskare hittade ett annat framväxande fenomen, som involverar höghastighetsutflöden och vindar av gas som strömmar ut ur galaxer. Detta lanserades som ett resultat av explosioner av massiva stjärnor (supernovor) och aktivitet från supermassiva svarta hål som hittats i hjärtat av galaxer. Galaktiska gasutflöden är till en början också kaotiska och flyter bort i alla riktningar, men med tiden, de börjar bli mer fokuserade längs en väg med minsta motstånd.

I det sena universum, strömmar ut ur galaxer har formen av två koner, dyker upp i motsatta riktningar - som två glassstrutar placerade spets mot spets, med galaxen virvlande i mitten. Dessa materialflöden saktar ner när de försöker lämna gravitationsbrunnen i galaxens gloria av osynlig – eller mörk – materia, och kan så småningom stanna och falla tillbaka, bildar en galaktisk fontän av återvunnen gas. Denna process omfördelar gas från centrum av en galax till dess utkanter, ytterligare accelererar omvandlingen av själva galaxen till en tunn skiva:galaktisk struktur formar galaktiska fontäner, och vice versa.

Teamet av forskare som skapar TNG50 (baserat på Max-Planck-Institutes i Garching och Heidelberg, Harvard Universitet, MIT, och Center for Computational Astrophysics (CCA) kommer så småningom att släppa all simuleringsdata till astronomigemenskapen i stort, såväl som till allmänheten. Detta kommer att göra det möjligt för astronomer över hela världen att göra sina egna upptäckter i TNG50-universumet – och möjligen hitta ytterligare exempel på framväxande kosmiska fenomen, ordning som kommer ur kaos.