Pembentukan galaksi adalah tarian yang rumit antara bahan dan tenaga, yang berlaku pada tahap kosmik dan menjangkau miliaran tahun. Bagaimana kepelbagaian galaksi berstruktur dan dinamik yang kita perhatikan hari ini timbul dari kekacauan besar Big Bang kekal sebagai salah satu teka-teki kosmologi yang paling sukar ditemui.
Untuk mencari jawapan, pasukan saintis antarabangsa telah mencipta model skala besar alam semesta yang paling terperinci setakat ini, suatu simulasi yang mereka panggil TNG50. Alam semesta maya mereka, sekitar 230 juta tahun cahaya, mengandungi puluhan ribu galaksi yang berkembang dengan tahap detail yang pernah dilihat hanya dalam model tunggal-galaksi. Simulasi ini menjejaki lebih daripada 20 bilion zarah yang mewakili benda gelap, gas, bintang dan lubang hitam supermasif, sepanjang tempoh 13.8 bilion tahun.
Resolusi dan skala yang tidak pernah berlaku sebelum ini membolehkan para penyelidik untuk mengumpul pandangan utama ke dalam alam semesta kita sendiri, mendedahkan bagaimana pelbagai galaksi berbentuk aneh berubah menjadi diri mereka sendiri dan bagaimana letupan dan lubang hitam yang hebat memicu evolusi galaksi ini. Keputusan mereka diterbitkan dalam dua artikel yang akan dipaparkan dalam edisi Disember 2019 jurnal Notis Bulanan Persatuan Astronomi Diraja.
TNG50 adalah simulasi terkini yang dicipta oleh Projek IllustrisTNG, yang bertujuan untuk membina gambaran lengkap tentang bagaimana alam semesta kita berkembang sejak Big Bang dengan menghasilkan alam semesta berskala besar tanpa mengorbankan butiran halus galaksi individu.
"Simulasi ini adalah dataset besar di mana kita boleh belajar satu tan dengan membedah dan memahami pembentukan dan evolusi galaksi di dalamnya," kata Paul Torrey, profesor fizik bersekutu di University of Florida dan penulis bersama kajian itu. "Yang asasnya baru mengenai TNG50, ialah anda mendapat jisim dan resolusi ruang yang cukup tinggi di dalam galaksi yang memberikan anda gambaran yang jelas mengenai struktur dalaman sistem seperti yang mereka bentuk dan berkembang."
Perhatian model terhadap perincian datang pada beberapa kos. Simulasi ini memerlukan 16,000 teras prosesor superkomputer Hazel Hen di Stuttgart, Jerman, yang berterusan selama lebih dari setahun. Pengiraan yang sama akan mengambil satu sistem pemproses tunggal 15,000 tahun untuk mengira. Walaupun menjadi salah satu simulasi astrofizik berat yang paling komputasi dalam sejarah, para penyelidik percaya bahawa pelaburan mereka telah membuahkan hasil.
"Percubaan berangka jenis ini sangat berjaya apabila anda keluar lebih daripada yang anda masukkan," kata Dylan Nelson, seorang rakan pasca doktoral di Max Planck Institute for Astrophysics di Munich, Jerman, dan pengarang bersama kajian itu, dalam satu kenyataan . "Dalam simulasi kami, kami melihat fenomena yang tidak diprogram secara eksplisit ke dalam kod simulasi. Fenomena ini muncul secara fesyen semulajadi, dari interaksi kompleks bahan-bahan fizikal asas model alam semesta kami."
Fenomena yang muncul mungkin penting untuk memahami mengapa alam semesta kita muncul seperti sekarang 13.8 bilion tahun selepas Big Bang. TNG50 membenarkan para penyelidik untuk melihat secara langsung bagaimana galaksi mungkin muncul dari awan galak gas yang hadir sejurus selepas alam semesta dilahirkan. Mereka mendapati bahawa galaksi berbentuk cakera yang sama dengan kejiranan kosmik kami secara semulajadi muncul dalam simulasi mereka dan menghasilkan struktur dalaman, termasuk lengan, bulatan dan bar yang berpanjangan dari lubang hitam supermasif pusat mereka. Apabila mereka membandingkan alam semesta yang dihasilkan oleh komputer mereka kepada pemerhatian kehidupan sebenar, mereka mendapati populasi galaksi mereka secara konsisten bersesuaian dengan realiti.
Oleh kerana galaksi mereka terus berkembang menjadi cakera berputar yang baik, fenomena lain mula muncul. Ledakan Supernova dan lubang hitam supermasif di tengah-tengah setiap galaksi mencipta aliran keluar gas yang berkelajuan tinggi. Aliran keluar ini berubah menjadi air pancut gas yang beribu-ribu tahun cahaya di atas galaksi. Tarik graviti akhirnya membawa banyak gas ini kembali ke cakera galaksi, mendistribusikannya ke pinggirannya dan mewujudkan gelung maklum balas aliran keluar udara dan aliran masuk. Selain mengitar semula bahan-bahan untuk membentuk bintang baru, aliran keluar juga ditunjukkan untuk mengubah struktur galaksi mereka. Gas kitar semula mempercepat transformasi galaksi ke cakera berputar nipis.
Walaupun penemuan awal ini, pasukan itu jauh dari membuang model mereka. Mereka juga merancang untuk melepaskan semua data simulasi secara terbuka untuk para astronom di seluruh dunia untuk mengkaji kosmos maya mereka.
"Ada jalan besar di hadapan kita sekarang bahawa kami telah membuat simulasi ini," kata Torrey. "Seluruh pasukan penyelidik berusaha untuk lebih memahami sifat-sifat terperinci dari galaksi yang membentuk dan apa trend muncul dalam data itu."
