Seit Mitte des 20. Jahrhunderts haben Wissenschaftler eine ziemlich gute Vorstellung davon, wie das Universum entstanden ist. Kosmische Expansion und die Entdeckung der Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund (CMB) verlieh der Urknalltheorie , und die Beschleunigung der Expansion führte zu Theorien über Dunkle Energie . Dennoch gibt es vieles über das frühe Universum, das Wissenschaftler immer noch nicht wissen, was erfordert, dass sie sich auf Simulationen der kosmischen Evolution verlassen.
Dies stellte traditionell ein kleines Problem dar, da die Computerbeschränkungen dazu führten, dass die Simulation entweder groß angelegt oder detailliert sein konnte, aber nicht beides. Ein Team von Wissenschaftlern aus Deutschland und den USA hat jedoch kürzlich die detaillierteste Großsimulation miteinander ausgehen. Bekannt als TNG50 , wird diese hochmoderne Simulation es Forschern ermöglichen, die Entwicklung des Kosmos sowohl im Detail als auch im großen Maßstab zu untersuchen.
TNG50 ist die neueste Simulation von IllustrisTNG, einem laufenden Projekt, das sich der Erstellung großer, kosmologischer Simulationen der Galaxienentstehung widmet. Es ist insofern bahnbrechend, als es die traditionellen Kompromisse vermeidet, mit denen Astronomen zu kämpfen haben. Kurz gesagt, detaillierte Simulationen litten in der Vergangenheit unter geringen Volumen, was statistische Rückschlüsse auf die großräumige kosmische Entwicklung erschwerte.
Andererseits fehlen großvolumigen Simulationen traditionell die Details, um viele der kleinräumigen Eigenschaften des Universums zu reproduzieren, was ihre Vorhersagen weniger zuverlässig macht. Das TNG50 ist die erste Simulation dieser Art, die es schafft, die Idee der groß angelegten Simulationen – das „Universe in a Box“-Konzept – mit einer Auflösung zu verbinden, die bisher nur mit Galaxiensimulationen möglich war.
Möglich machte dies der Supercomputer Hazel Hen in Stuttgart, auf dem 16.000 Kerne über ein Jahr lang zusammenarbeiteten – die bisher 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 Teilchen enthält, die dunkle Materie, Sterne, kosmisches Gas, Magnetfelder und supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) darstellen.
TNG50 kann auch physikalische Phänomene erkennen, die auf einer Skala von 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 Laufe 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 von der Max-Planck-Institut für Astronomie , und Dr. Dylan Nelson von der Max-Planck-Institut für Astrophysik . Als Dylan erklärt in einer RAS-Pressemitteilung:
„Solche numerische Experimente sind dann besonders erfolgreich, wenn man mehr herausholt als hineinsteckt. In unserer Simulation sehen wir Phänomene, die nicht explizit in den Simulationscode einprogrammiert wurden. Diese Phänomene entstehen auf natürliche Weise, aus dem komplexen Zusammenspiel der physikalischen Grundbestandteile unseres Modelluniversums.“
Diese Abbildung zeigt die Entwicklung des Universums vom Urknall links bis zur Neuzeit rechts. Bild: NASA
Darüber hinaus ist TNG50 die erste Simulation dieser Art für zwei auftauchende Phänomene, die eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Galaxien spielen. Zunächst bemerkte das Forschungsteam, dass bei einem Blick in die Vergangenheit geordnete, sich schnell drehende Scheibengalaxien (wie die Milchstraße) aus anfänglich chaotischen Gaswolken hervorgingen.
Als sich dieses Gas niederließ, nahmen neugeborene Sterne zunehmend kreisförmige Bahnen an und wichen schließlich großen Spiralgalaxien. Als Dr. Annalisa Pillepich erklärt :
„In der Praxis zeigt TNG50, dass unsere eigene Milchstraße mit ihrer dünnen Scheibe auf dem Höhepunkt der Galaxienmode ist: In den letzten 10 Milliarden Jahren sind zumindest die Galaxien, die noch immer neue Sterne bilden, immer scheibenförmiger 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 auftauchende Phänomen trat auf, als sich die Galaxien in der Simulation abflachten, wo Gaswinde mit hoher Geschwindigkeit aus den Galaxien strömten. Dies wurde durch Supernova-Explosionen und die Aktivität von SMBHs im Herzen der simulierten Galaxien angetrieben. Wieder einmal war der Prozess anfangs chaotisch, Gas strömte in alle Richtungen aus, konzentrierte sich jedoch schließlich auf den Weg des geringsten Widerstands.
Neue Forschungen legen nahe, dass Dunkle Materie in Klumpen existieren könnte, die über unser Universum verteilt sind. Bildnachweis: Max-Planck-Institut für Astrophysik
In der aktuellen kosmologischen Epoche werden diese Ströme kegelförmig und fließen von den gegenüberliegenden Enden der Galaxie, wobei sich das Material verlangsamt, wenn es die unsichtbare Gravitationsquelle des Dunklen-Materie-Halos der Galaxie verlässt. Irgendwann hört dieses Material auf, nach außen zu fließen, und beginnt wieder einzufallen, wodurch es zu einer galaktischen Quelle aus recyceltem Gas wird.
Mit anderen Worten, diese Simulation ist auch die erste ihrer Art, die zeigt, wie die Geometrie kosmischer Gasströmungen um Galaxien ihre Strukturen bestimmt (und umgekehrt). Für ihre Arbeit wurden Dr. Pillepich und Dr. Nelson mit dem 2019 Goldener Spike-Preis , die an Mitglieder der internationalen Forschungsgemeinschaft ausgegeben wird von der Hochleistungsrechenzentrum in Stuttgart, Deutschland.
Dr. Pillepich und Dr. Nelson und ihre Kollegen planen auch, alle TNG50-Simulationsdaten schließlich der astronomischen Gemeinschaft und der Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Dies wird es Astronomen und Citizen Scientists ermöglichen, ihre eigenen Entdeckungen aus der Simulation zu machen, die zusätzliche Beispiele für neu auftretende kosmische Phänomene oder Lösungen für anhaltende kosmische Mysterien beinhalten könnten.
Weiterlesen: Königliche Astronomische Gesellschaft , MNRAS , MNRAS (2)
