Scienziati dalla Germania e dagli Stati Uniti hanno svelato i risultati di un simulazione allo stato dell'arte dell'evoluzione delle galassie. TNG50 è la simulazione cosmologica su larga scala più dettagliata di sempre. Consente ai ricercatori di studiare in dettaglio come si formano le galassie, e come si sono evoluti da poco dopo il Big Bang. Per la prima volta, rivela che la geometria dei flussi di gas cosmico attorno alle galassie determina le strutture delle galassie, e viceversa. I ricercatori pubblicano i loro risultati in due articoli sulla rivista Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .

Gli astronomi che eseguono simulazioni cosmologiche devono affrontare un compromesso fondamentale:con una potenza di calcolo finita, le simulazioni tipiche finora sono state molto dettagliate o hanno abbracciato un grande volume di spazio virtuale, ma finora non sono stato in grado di fare entrambe le cose. Simulazioni dettagliate con volumi limitati possono modellare non più di poche galassie, rendere difficili le deduzioni statistiche. Simulazioni di grandi volumi, a sua volta, tipicamente mancano dei dettagli necessari per riprodurre molte delle proprietà su piccola scala che osserviamo nel nostro Universo, riducendo il loro potere predittivo.

La simulazione TNG50, che è stato appena pubblicato, riesce ad evitare questo trade-off. Per la prima volta, combina l'idea di una simulazione cosmologica su larga scala - un Universo in una scatola - con la risoluzione computazionale delle simulazioni "zoom", a un livello di dettaglio che in precedenza era stato possibile solo per studi di singole galassie.

In un cubo di spazio simulato di oltre 230 milioni di anni luce di diametro, TNG50 può discernere fenomeni fisici che si verificano su scale un milione di volte più piccole, tracciando l'evoluzione simultanea di migliaia di galassie in oltre 13,8 miliardi di anni di storia cosmica. Lo fa con più di 20 miliardi di particelle che rappresentano la materia oscura (invisibile), stelle, gas cosmico, campi magnetici, e buchi neri supermassicci. Il calcolo stesso richiedeva 16, 000 core sul supercomputer Hazel Hen a Stoccarda, lavorare insieme, 24 ore su 24, 7 giorni su 7, per più di un anno, l'equivalente di quindicimila anni su un singolo processore, rendendolo uno dei calcoli astrofisici più impegnativi fino ad oggi.

I primi risultati scientifici di TNG50 sono pubblicati da un team guidato dalla dott.ssa Annalisa Pillepich (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg) e il dottor Dylan Nelson (Max Planck Institute for Astrophysics, Garching) e rivelano fenomeni fisici imprevisti. Secondo Nelson:"Esperimenti numerici di questo tipo sono particolarmente efficaci quando si ottiene più di quanto si investe. Nella nostra simulazione, vediamo fenomeni che non erano stati programmati esplicitamente nel codice di simulazione. Questi fenomeni emergono in modo naturale, dalla complessa interazione degli ingredienti fisici di base del nostro universo modello".

TNG50 presenta due esempi importanti per questo tipo di comportamento emergente. La prima riguarda la formazione di galassie "a disco" come la nostra Via Lattea. Usando la simulazione come una macchina del tempo per riavvolgere l'evoluzione della struttura cosmica, i ricercatori hanno visto come il bene ordinato, galassie a disco in rapida rotazione (che sono comuni nel nostro Universo vicino) emergono da caotiche, disorganizzato, e nubi di gas altamente turbolente in epoche precedenti.

Quando il gas si stabilizza, le stelle appena nate si trovano tipicamente su orbite sempre più circolari, alla fine formando grandi galassie a spirale, caroselli galattici. Annalisa Pillepich spiega:"In pratica, TNG50 mostra che la nostra galassia della Via Lattea con il suo disco sottile è all'apice della moda delle galassie:negli ultimi 10 miliardi di anni, almeno quelle galassie che stanno ancora formando nuove stelle sono diventate sempre più simili a dischi, e i loro caotici moti interni sono notevolmente diminuiti. L'Universo era molto più disordinato quando aveva solo pochi miliardi di anni!"

Mentre queste galassie si appiattiscono, i ricercatori hanno scoperto un altro fenomeno emergente, coinvolgendo i deflussi ad alta velocità e i venti di gas che fuoriescono dalle galassie. Questo è stato lanciato a seguito delle esplosioni di stelle massicce (supernovae) e dell'attività di buchi neri supermassicci trovati nel cuore delle galassie. Anche i deflussi gassosi galattici sono inizialmente caotici e scorrono via in tutte le direzioni, ma col tempo, iniziano a concentrarsi maggiormente lungo un percorso di minor resistenza.

Nel tardo universo, i flussi fuori dalle galassie assumono la forma di due coni, che emergono in direzioni opposte, come due coni gelato posti da una punta all'altra, con la galassia che vortica al centro. Questi flussi di materiale rallentano mentre tentano di lasciare il pozzo gravitazionale dell'alone di materia invisibile o oscura della galassia, e alla fine può fermarsi e ricadere, formando una fontana galattica di gas riciclato. Questo processo ridistribuisce il gas dal centro di una galassia alla sua periferia, accelerando ulteriormente la trasformazione della galassia stessa in un disco sottile:la struttura galattica modella le fontane galattiche, e viceversa.

Il team di scienziati che ha creato TNG50 (con sede presso i Max-Planck-Institutes di Garching e Heidelberg, Università di Harvard, MIT, e il Centro per l'astrofisica computazionale (CCA)) alla fine rilascerà tutti i dati di simulazione alla comunità astronomica in generale, così come al pubblico. Ciò consentirà agli astronomi di tutto il mondo di fare le proprie scoperte nell'universo TNG50 e possibilmente trovare ulteriori esempi di fenomeni cosmici emergenti, dell'ordine che emerge dal caos.