Imagens da luz óptica emitida pelas estrelas de 16 galáxias da simulação TNG50. Cada galáxia é vista de frente ou de cima (subpainéis superiores), e lateral ou lateral (subpainéis inferiores). Crédito:D. Nelson (MPA) e a equipe IllustrisTNG. Tipo de licença Atribuição (CC BY 4.0)
Cientistas da Alemanha e dos Estados Unidos revelaram os resultados de um recém-concluído, simulação do estado da arte da evolução das galáxias. TNG50 é a simulação cosmológica em grande escala mais detalhada até agora. Ele permite que os pesquisadores estudem em detalhes como as galáxias se formam, e como eles evoluíram desde logo após o Big Bang. Pela primeira vez, revela que a geometria dos fluxos de gás cósmico em torno das galáxias determina as estruturas das galáxias, e vice versa. Os pesquisadores publicam seus resultados em dois artigos na revista. Avisos mensais da Royal Astronomical Society .
Os astrônomos que executam simulações cosmológicas enfrentam uma compensação fundamental:com o poder de computação finito, as simulações típicas até agora foram muito detalhadas ou abrangeram um grande volume de espaço virtual, mas até agora não fui capaz de fazer as duas coisas. Simulações detalhadas com volumes limitados podem modelar não mais do que algumas galáxias, dificultando as deduções estatísticas. Simulações de grande volume, por sua vez, normalmente não possuem os detalhes necessários para reproduzir muitas das propriedades de pequena escala que observamos em nosso próprio Universo, reduzindo seu poder preditivo.
A simulação TNG50, que acaba de ser publicado, consegue evitar esse trade-off. Pela primeira vez, ele combina a ideia de uma simulação cosmológica em grande escala - um Universo em uma caixa - com a resolução computacional de simulações de "zoom", com um nível de detalhe que antes só era possível para estudos de galáxias individuais.
Em um cubo simulado de espaço com mais de 230 milhões de anos-luz de diâmetro, TNG50 pode discernir fenômenos físicos que ocorrem em escalas um milhão de vezes menores, traçando a evolução simultânea de milhares de galáxias ao longo de 13,8 bilhões de anos de história cósmica. Ele faz isso com mais de 20 bilhões de partículas representando matéria escura (invisível), estrelas, gás cósmico, Campos magnéticos, e buracos negros supermassivos. O cálculo em si exigia 16, 000 núcleos no supercomputador Hazel Hen em Stuttgart, trabalhando juntos, 24/7, por mais de um ano, o equivalente a quinze mil anos em um único processador, tornando-o um dos cálculos astrofísicos mais exigentes até hoje.
Os primeiros resultados científicos do TNG50 são publicados por uma equipe liderada pela Dra. Annalisa Pillepich (Instituto Max Planck de Astronomia, Heidelberg) e Dr. Dylan Nelson (Instituto Max Planck de Astrofísica, Garching) e revelam fenômenos físicos imprevistos. De acordo com Nelson:"Experimentos numéricos desse tipo são particularmente bem-sucedidos quando você obtém mais do que investe. Em nossa simulação, vemos fenômenos que não foram programados explicitamente no código de simulação. Esses fenômenos surgem de uma forma natural, da interação complexa dos ingredientes físicos básicos de nosso universo modelo. "
TNG50 apresenta dois exemplos proeminentes para esse tipo de comportamento emergente. O primeiro diz respeito à formação de galáxias "em disco" como a nossa Via Láctea. Usando a simulação como uma máquina do tempo para retroceder a evolução da estrutura cósmica, pesquisadores viram como o bem ordenado, galáxias de disco em rotação rápida (que são comuns em nosso Universo próximo) emergem do caótico, desorganizado, e nuvens de gás altamente turbulentas em épocas anteriores.
À medida que o gás se acalma, estrelas recém-nascidas são normalmente encontradas em órbitas cada vez mais circulares, eventualmente formando grandes galáxias espirais - carrosséis galácticos. Annalisa Pillepich explica:"Na prática, TNG50 mostra que nossa própria galáxia, a Via Láctea, com seu disco fino, está no auge da moda das galáxias:nos últimos 10 bilhões de anos, pelo menos aquelas galáxias que ainda estão formando novas estrelas se tornaram cada vez mais parecidas com discos, e seus caóticos movimentos internos diminuíram consideravelmente. O Universo era muito mais confuso quando tinha apenas alguns bilhões de anos! "
Evolução ao longo de algumas centenas de milhões de anos (de cima para baixo) do gás ao redor de uma galáxia a partir da simulação TNG50, com um buraco negro supermassivo ativo em seu centro. O buraco negro no centro desta galáxia está consumindo gás de seus arredores e, com isso, está gerando grandes quantidades de energia. A liberação dessa energia produz ventos ultrarrápidos, que rapidamente se expandem para longe da galáxia e crescem em tamanho para se tornarem milhares de vezes maiores do que antes. Esses fluxos causados por buracos negros atingem velocidades de dezenas de milhares de quilômetros por segundo, têm temperaturas superiores a milhões de graus, e carregam consigo grandes quantidades de elementos pesados, como oxigênio, carbono, e ferro. As quatro colunas mostram, da esquerda para a direita, a velocidade em evolução, temperatura, densidade, e conteúdo de elemento pesado ao redor da galáxia. A própria galáxia é fria (azul, segunda coluna), denso (amarelo, terceira coluna) disco de gás formador de estrelas visível como um pequeno, laje vertical no centro de cada imagem. Crédito:D. Nelson (MPA) e a equipe IllustrisTNG. Tipo de licença Atribuição (CC BY 4.0)
À medida que essas galáxias se achatam, pesquisadores descobriram outro fenômeno emergente, envolvendo fluxos de saída de alta velocidade e ventos de gás fluindo para fora das galáxias. Isso foi lançado como resultado das explosões de estrelas massivas (supernovas) e da atividade de buracos negros supermassivos encontrados no coração das galáxias. As saídas de gases galácticos são inicialmente caóticas e fluem em todas as direções, mas com o tempo, eles começam a se tornar mais focados em um caminho de menor resistência.
No universo tardio, fluxos de galáxias assumem a forma de dois cones, emergindo em direções opostas, como dois cones de sorvete colocados ponta a ponta, com a galáxia girando no centro. Esses fluxos de material diminuem à medida que tentam deixar o poço gravitacional do halo de matéria invisível - ou escura - da galáxia, e pode eventualmente parar e cair para trás, formando uma fonte galáctica de gás reciclado. Este processo redistribui o gás do centro de uma galáxia para seus arredores, acelerando ainda mais a transformação da própria galáxia em um disco fino:a estrutura galáctica molda as fontes galácticas, e vice versa.
A equipe de cientistas que criou o TNG50 (com base nos Institutos Max-Planck em Garching e Heidelberg, Universidade de Harvard, MIT, e o Center for Computational Astrophysics (CCA)) irá eventualmente liberar todos os dados de simulação para a comunidade astronômica em geral, bem como para o público. Isso permitirá que astrônomos de todo o mundo façam suas próprias descobertas no universo TNG50 - e possivelmente encontrem exemplos adicionais de fenômenos cósmicos emergentes, de ordem emergindo do caos.
