Visualización de la intensidad de las ondas de choque en el gas cósmico (azul) alrededor de las estructuras de materia oscura colapsadas (naranja / blanco). Similar a un boom sónico, el gas en estas ondas de choque se acelera con una sacudida cuando impacta sobre los filamentos cósmicos y las galaxias. Crédito:Colaboración IllustrisTNG
Los nuevos métodos computacionales han ayudado a crear la simulación a escala de universo más llena de información jamás producida. La nueva herramienta proporciona nuevos conocimientos sobre cómo los agujeros negros influyen en la distribución de la materia oscura. cómo se producen y distribuyen los elementos pesados por todo el cosmos, y donde se originan los campos magnéticos.
Dirigido por el investigador principal Volker Springel en el Instituto de Estudios Teóricos de Heidelberg, astrofísicos de los Institutos Max Planck de Astronomía (MPIA, Heidelberg) y Astrofísica (MPA, Garching), Universidad Harvard, el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), y el Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron desarrollaron y programaron el nuevo modelo de simulación de universos, apodado Illustris:The Next Generation, o IllustrisTNG.
El modelo es la simulación de universo más avanzada de su tipo, dice Shy Genel, un científico investigador asociado en CCA que ayudó a desarrollar y perfeccionar IllustrisTNG. El detalle y la escala de la simulación permiten a Genel estudiar cómo se forman las galaxias, evolucionan y crecen en conjunto con su actividad de formación estelar. "Cuando observamos galaxias con un telescopio, solo podemos medir ciertas cantidades, ", dice." Con la simulación, podemos rastrear todas las propiedades de todas estas galaxias. Y no solo cómo se ve la galaxia ahora, sino toda su historia de formación ". Trazar las formas en que evolucionan las galaxias en la simulación ofrece una idea de cómo podría haber sido nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, cuando se formó la Tierra y cómo podría cambiar nuestra galaxia en el futuro, él dice.
Corte fino a través de la estructura cósmica a gran escala en la simulación más grande del proyecto IllustrisTNG. El brillo de la imagen indica la densidad de la masa y el color visualiza la temperatura media del gas de la materia ordinaria ("bariónica"). La región mostrada se extiende unos 1.200 millones de años luz de izquierda a derecha. La simulación subyacente es actualmente la simulación magnetohidrodinámica más grande de formación de galaxias, que contiene más de 30 mil millones de elementos y partículas en volumen. Crédito:Colaboración IllustrisTNG
Mark Vogelsberger, profesor asistente de física en el MIT y el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT, ha estado trabajando para desarrollar, probar y analizar las nuevas simulaciones IllustrisTNG. Junto con los investigadores postdoctorales Federico Marinacci y Paul Torrey, Vogelsberger ha estado utilizando IllustrisTNG para estudiar las firmas observables de los campos magnéticos a gran escala que impregnan el universo.
“La alta resolución de IllustrisTNG combinada con su sofisticado modelo de formación de galaxias nos permitió explorar estas cuestiones de campos magnéticos con más detalle que con cualquier simulación cosmológica anterior, "dice Vogelsberger, uno de los autores de los tres artículos publicados hoy en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society .
Representación de la velocidad del gas en un corte delgado de 100 kiloparsec de espesor (en la dirección de la vista), centrado en el segundo cúmulo de galaxias más masivo en el cálculo TNG100. Donde la imagen es negra el gas apenas se mueve, mientras que las regiones blancas tienen velocidades que superan 1, 000 kilómetros por segundo. La imagen contrasta los movimientos del gas en filamentos cósmicos con los rápidos, movimientos caóticos provocados por el pozo de potencial gravitacional profundo y el agujero negro supermasivo que se encuentra en su centro. Crédito:Colaboración IllustrisTNG
Modelando un universo (más) realista
IllustrisTNG es un modelo sucesor de la simulación Illustris original desarrollada por el mismo equipo de investigación, pero se ha actualizado para incluir algunos de los procesos físicos que juegan un papel crucial en la formación y evolución de las galaxias.
Como Illustris, el proyecto modela un universo en forma de cubo más pequeño que el nuestro. Esta vez, el proyecto siguió la formación de millones de galaxias en una región representativa de un universo con casi mil millones de años luz por lado (frente a 350 millones de años luz por lado hace solo cuatro años). lllustrisTNG es el mayor proyecto de simulación hidrodinámica hasta la fecha para el surgimiento de estructuras cósmicas, dice Springel, también de MPA y la Universidad de Heidelberg.
La red cósmica de gas y materia oscura predicha por IllustrisTNG produce galaxias bastante similares a las galaxias reales en forma y tamaño. Por primera vez, Las simulaciones hidrodinámicas podrían calcular directamente el patrón de agrupamiento detallado de las galaxias en el espacio. En comparación con los datos de observación, como los datos proporcionados por el potente Sloan Digital Sky Survey, las simulaciones de IllustrisTNG demuestran un alto grado de realismo, dice Springel.
Además, las simulaciones predicen cómo cambia la red cósmica con el tiempo, especialmente en relación con la materia oscura que subyace al cosmos. "Es particularmente fascinante que podamos predecir con precisión la influencia de los agujeros negros supermasivos en la distribución de la materia a gran escala, ", dice Springel." Esto es crucial para interpretar de forma fiable las próximas medidas cosmológicas ".
Astrofísica vía código y supercomputadoras
Para el proyecto, 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
En otro estudio, 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."
