Científicos de Alemania y Estados Unidos han revelado los resultados de un estudio recién terminado simulación de última generación de la evolución de las galaxias. TNG50 es la simulación cosmológica a gran escala más detallada hasta la fecha. Permite a los investigadores estudiar en detalle cómo se forman las galaxias, y cómo han evolucionado desde poco después del Big Bang. Por primera vez, revela que la geometría de los flujos de gas cósmico alrededor de las galaxias determina las estructuras de las galaxias, y viceversa. Los investigadores publican sus resultados en dos artículos de la revista. Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society .

Los astrónomos que realizan simulaciones cosmológicas se enfrentan a una compensación fundamental:con una potencia informática finita, Las simulaciones típicas hasta ahora han sido muy detalladas o han abarcado un gran volumen de espacio virtual, pero hasta ahora no he podido hacer ambas cosas. Las simulaciones detalladas con volúmenes limitados no pueden modelar más que unas pocas galaxias, dificultando las deducciones estadísticas. Simulaciones de gran volumen, Sucesivamente, normalmente carecen de los detalles necesarios para reproducir muchas de las propiedades a pequeña escala que observamos en nuestro propio Universo, reduciendo su poder predictivo.

La simulación TNG50, que acaba de ser publicado, logra evitar esta compensación. Por primera vez, combina la idea de una simulación cosmológica a gran escala (un Universo en una caja) con la resolución computacional de las simulaciones de "zoom", a un nivel de detalle que anteriormente solo había sido posible para estudios de galaxias individuales.

En un cubo de espacio simulado que tiene más de 230 millones de años luz de diámetro, TNG50 puede discernir fenómenos físicos que ocurren en escalas un millón de veces más pequeñas, rastreando la evolución simultánea de miles de galaxias durante 13,8 mil millones de años de historia cósmica. Lo hace con más de 20 mil millones de partículas que representan materia oscura (invisible), estrellas, gas cósmico, campos magnéticos, y agujeros negros supermasivos. El cálculo en sí requirió 16, 000 núcleos en la supercomputadora Hazel Hen en Stuttgart, trabajando juntos, 24 horas al día, 7 días a la semana, durante más de un año, el equivalente a quince mil años en un solo procesador, lo que lo convierte en uno de los cálculos astrofísicos más exigentes hasta la fecha.

Los primeros resultados científicos de TNG50 son publicados por un equipo dirigido por la Dra. Annalisa Pillepich (Instituto Max Planck de Astronomía, Heidelberg) y el Dr. Dylan Nelson (Instituto Max Planck de Astrofísica, Garching) y revelar fenómenos físicos imprevistos. Según Nelson:"Los experimentos numéricos de este tipo son particularmente exitosos cuando obtienes más de lo que inviertes. En nuestra simulación, vemos fenómenos que no se habían programado explícitamente en el código de simulación. Estos fenómenos surgen de forma natural, a partir de la compleja interacción de los ingredientes físicos básicos de nuestro universo modelo ".

TNG50 presenta dos ejemplos destacados de este tipo de comportamiento emergente. El primero se refiere a la formación de galaxias de "disco" como nuestra propia Vía Láctea. Usando la simulación como una máquina del tiempo para rebobinar la evolución de la estructura cósmica, los investigadores han visto cómo el bien ordenado, Las galaxias de disco que giran rápidamente (que son comunes en nuestro Universo cercano) emergen del caótico, desestructurado, y nubes de gas muy turbulentas en épocas anteriores.

Mientras el gas se calma, Las estrellas recién nacidas se encuentran típicamente en órbitas cada vez más circulares, eventualmente formando grandes galaxias espirales — carruseles galácticos. Annalisa Pillepich explica:"En la práctica, TNG50 muestra que nuestra propia galaxia, la Vía Láctea con su disco delgado, está a la altura de la moda de las galaxias:durante los últimos 10 mil millones de años, al menos esas galaxias que todavía están formando nuevas estrellas se han vuelto cada vez más parecidas a discos, y sus caóticos movimientos internos han disminuido considerablemente. ¡El Universo era mucho más desordenado cuando solo tenía unos pocos miles de millones de años! "

A medida que estas galaxias se aplanan, los investigadores encontraron otro fenómeno emergente, que involucran las salidas de alta velocidad y los vientos de gas que salen de las galaxias. Este se lanzó como resultado de las explosiones de estrellas masivas (supernovas) y la actividad de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el corazón de las galaxias. Las salidas de gases galácticos también son inicialmente caóticas y fluyen en todas direcciones, pero con el tiempo comienzan a concentrarse más en un camino de menor resistencia.

En el universo tardío los flujos de las galaxias toman la forma de dos conos, emergiendo en direcciones opuestas, como dos conos de helado colocados punta con punta, con la galaxia girando en el centro. Estos flujos de material se ralentizan mientras intentan salir del pozo gravitacional del halo de materia invisible o oscura de la galaxia. y eventualmente puede estancarse y retroceder, formando una fuente galáctica de gas reciclado. Este proceso redistribuye el gas desde el centro de una galaxia a sus afueras, acelerando aún más la transformación de la propia galaxia en un disco delgado:la estructura galáctica da forma a fuentes galácticas, y viceversa.

El equipo de científicos que crearon TNG50 (con sede en los Institutos Max-Planck en Garching y Heidelberg, Universidad Harvard, MIT, y el Centro de Astrofísica Computacional (CCA)) eventualmente entregará todos los datos de simulación a la comunidad astronómica en general, así como al público. Esto permitirá a los astrónomos de todo el mundo hacer sus propios descubrimientos en el universo TNG50 y posiblemente encontrar ejemplos adicionales de fenómenos cósmicos emergentes. del orden que emerge del caos.