p Novos métodos computacionais ajudaram a criar a simulação em escala de universo mais repleta de informações já produzida. A nova ferramenta fornece novas percepções sobre como os buracos negros influenciam a distribuição da matéria escura, como os elementos pesados ​​são produzidos e distribuídos por todo o cosmos, e onde se originam os campos magnéticos. p Liderado pelo investigador principal Volker Springel no Instituto Heidelberg de Estudos Teóricos, astrofísicos dos Institutos Max Planck de Astronomia (MPIA, Heidelberg) e Astrofísica (MPA, Garching), Universidade de Harvard, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), e o Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Flatiron Institute desenvolveu e programou o novo modelo de simulação do universo, apelidado de Illustris:The Next Generation, ou IllustrisTNG.

p O modelo é a simulação de universo mais avançada de seu tipo, diz Shy Genel, um cientista de pesquisa associado da CCA que ajudou a desenvolver e aprimorar o IllustrisTNG. Os detalhes e a escala da simulação permitem que Genel estude como as galáxias se formam, evoluir e crescer em conjunto com sua atividade de formação de estrelas. "Quando observamos galáxias usando um telescópio, só podemos medir certas quantidades, "diz ele." Com a simulação, podemos rastrear todas as propriedades de todas essas galáxias. E não apenas como a galáxia se parece agora, mas toda a sua história de formação. "Mapear as maneiras como as galáxias evoluem na simulação oferece um vislumbre de como nossa própria galáxia, a Via Láctea, poderia ter sido quando a Terra se formou e como nossa galáxia poderia mudar no futuro, ele diz.

p Mark Vogelsberger, professor assistente de física no MIT e no MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, tem trabalhado para desenvolver, testar e analisar as novas simulações IllustrisTNG. Junto com os pesquisadores de pós-doutorado Federico Marinacci e Paul Torrey, Vogelsberger tem usado o IllustrisTNG para estudar as assinaturas observáveis ​​de campos magnéticos de grande escala que permeiam o universo.

p "A alta resolução do IllustrisTNG combinada com seu modelo sofisticado de formação de galáxias nos permitiu explorar essas questões de campos magnéticos com mais detalhes do que com qualquer simulação cosmológica anterior, "diz Vogelsberger, um dos autores dos três artigos publicados hoje no Avisos mensais da Royal Astronomical Society .

p Modelando um universo (mais) realista

p IllustrisTNG é um modelo sucessor da simulação original do Illustris desenvolvida pela mesma equipe de pesquisa, mas foi atualizado para incluir alguns dos processos físicos que desempenham papéis cruciais na formação e evolução das galáxias.

p Como Illustris, o projeto modela um universo em forma de cubo menor que o nosso. Desta vez, o projeto acompanhou a formação de milhões de galáxias em uma região representativa de um universo com quase 1 bilhão de anos-luz por lado (contra 350 milhões de anos-luz por lado há apenas quatro anos). IlustrisTNG é o maior projeto de simulação hidrodinâmica até o momento para o surgimento de estruturas cósmicas, diz Springel, também da MPA e da Heidelberg University.

p A teia cósmica de gás e matéria escura prevista por IllustrisTNG produz galáxias bastante semelhantes às galáxias reais em forma e tamanho. Pela primeira vez, simulações hidrodinâmicas poderiam computar diretamente o padrão detalhado de agrupamento de galáxias no espaço. Em comparação com os dados observacionais - como os dados fornecidos pelo poderoso Sloan Digital Sky Survey - as simulações do IllustrisTNG demonstram um alto grau de realismo, diz Springel.

p Além disso, as simulações prevêem como a teia cósmica muda ao longo do tempo, especialmente em relação à matéria escura que está por trás do cosmos. "É particularmente fascinante que possamos prever com precisão a influência dos buracos negros supermassivos na distribuição da matéria em grandes escalas, "diz Springel." Isso é crucial para interpretar de forma confiável as medições cosmológicas futuras. "

p Astrophysics via code and supercomputers

p For the project, 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."

p Supermassive black holes squelch star formation

p In another study, 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.

p "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."

p New findings for galaxy structure

p 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.

p "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."