Visualizzazione dell'intensità delle onde d'urto nel gas cosmico (blu) attorno alle strutture di materia oscura collassate (arancione/bianco). Simile a un boom sonico, il gas in queste onde d'urto viene accelerato con un sussulto quando impatta sui filamenti cosmici e sulle galassie. Credito:collaborazione IllustrisTNG
Nuovi metodi computazionali hanno contribuito a creare la simulazione su scala universale più ricca di informazioni mai prodotta. Il nuovo strumento fornisce nuove informazioni su come i buchi neri influenzano la distribuzione della materia oscura, come gli elementi pesanti vengono prodotti e distribuiti in tutto il cosmo, e dove si originano i campi magnetici.
Guidato dal ricercatore principale Volker Springel presso l'Istituto di Heidelberg per gli studi teorici, astrofisici del Max Planck Institutes for Astronomy (MPIA, Heidelberg) e Astrofisica (MPA, Garching), Università di Harvard, il Massachusetts Institute of Technology (MIT), e il Centro per l'astrofisica computazionale (CCA) del Flatiron Institute ha sviluppato e programmato il nuovo modello di simulazione dell'universo, soprannominato Illustris:la prossima generazione, o IllustrisTNG.
Il modello è la simulazione dell'universo più avanzata del suo genere, dice Timido Genel, un ricercatore associato al CCA che ha contribuito a sviluppare e affinare IllustrisTNG. I dettagli e la scala della simulazione consentono a Genel di studiare come si formano le galassie, evolvono e crescono di pari passo con la loro attività di formazione stellare. "Quando osserviamo le galassie usando un telescopio, possiamo misurare solo determinate quantità, " dice. "Con la simulazione, possiamo tracciare tutte le proprietà di tutte queste galassie. E non solo come appare ora la galassia, ma la sua intera storia di formazione." Mappare i modi in cui le galassie si evolvono nella simulazione offre uno scorcio di come potrebbe essere stata la nostra galassia della Via Lattea quando si è formata la Terra e di come la nostra galassia potrebbe cambiare in futuro, lui dice.
Fetta sottile attraverso la struttura cosmica su larga scala nella più grande simulazione del progetto IllustrisTNG. La luminosità dell'immagine indica la densità di massa e il colore visualizza la temperatura media del gas della materia ordinaria ("barionica"). La regione visualizzata si estende per circa 1,2 miliardi di anni luce da sinistra a destra. La simulazione sottostante è attualmente la più grande simulazione magneto-idrodinamica della formazione di galassie, contenente più di 30 miliardi di elementi e particelle di volume. Credito:collaborazione IllustrisTNG
Mark Vogelsberger, un assistente professore di fisica al MIT e al MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, ha lavorato per sviluppare, testare e analizzare le nuove simulazioni IllustrisTNG. Insieme ai ricercatori post-dottorato Federico Marinacci e Paul Torrey, Vogelsberger ha utilizzato IllustrisTNG per studiare le firme osservabili dei campi magnetici su larga scala che pervadono l'universo.
"L'alta risoluzione di IllustrisTNG combinata con il suo sofisticato modello di formazione delle galassie ci ha permesso di esplorare queste domande sui campi magnetici in modo più dettagliato rispetto a qualsiasi precedente simulazione cosmologica, "dice Vogelsberger, uno degli autori dei tre articoli pubblicati oggi su Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .
Rendering della velocità del gas in una fetta sottile dello spessore di 100 kiloparsec (nella direzione di visualizzazione), centrato sul secondo ammasso di galassie più massiccio nel calcolo TNG100. Dove l'immagine è nera, il gas si muove appena, mentre le regioni bianche hanno velocità che superano 1, 000 chilometri al secondo. L'immagine contrasta i moti del gas in filamenti cosmici contro il veloce, moti caotici innescati dal pozzo di potenziale gravitazionale profondo e dal buco nero supermassiccio che si trova al suo centro. Credito:collaborazione IllustrisTNG
Modellare un universo (più) realistico
IllustrisTNG è un modello successore della simulazione originale Illustris sviluppata dallo stesso team di ricerca, ma è stato aggiornato per includere alcuni dei processi fisici che svolgono ruoli cruciali nella formazione e nell'evoluzione delle galassie.
Come Illustris, il progetto modella un universo a forma di cubo più piccolo del nostro. Questa volta, il progetto ha seguito la formazione di milioni di galassie in una regione rappresentativa di un universo con quasi 1 miliardo di anni luce per lato (da 350 milioni di anni luce per lato solo quattro anni fa). lllustrisTNG è il più grande progetto di simulazione idrodinamica fino ad oggi per l'emergere di strutture cosmiche, dice Springel, anche dell'MPA e dell'Università di Heidelberg.
La rete cosmica di gas e materia oscura prevista da IllustrisTNG produce galassie abbastanza simili alle galassie reali per forma e dimensioni. Per la prima volta, le simulazioni idrodinamiche potrebbero calcolare direttamente il modello dettagliato di clustering delle galassie nello spazio. Rispetto ai dati osservativi - come i dati forniti dal potente Sloan Digital Sky Survey - le simulazioni di IllustrisTNG dimostrano un alto grado di realismo, dice Springel.
Inoltre, le simulazioni prevedono come la rete cosmica cambia nel tempo, soprattutto in relazione alla materia oscura che sta alla base del cosmo. "È particolarmente affascinante poter prevedere con precisione l'influenza dei buchi neri supermassicci sulla distribuzione della materia su larga scala, " dice Springel. "Questo è cruciale per interpretare in modo affidabile le prossime misurazioni cosmologiche".
Astrophysics via code and supercomputers
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."
Supermassive black holes squelch star formation
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.
"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."
