銀河の形成は物質とエネルギーの間の複雑なダンスであり、宇宙の割合のステージで発生し、数十億年に及ぶ。今日私たちが観測している構造化された動的銀河の多様性がビッグバンの激しいカオスからどのように生じたかは、宇宙論の最も難しい未解決のパズルの1つのままです。
答えを求めて、科学者の国際チームは、これまでにない最も詳細な宇宙の大規模モデル、つまりTNG50と呼ばれるシミュレーションを作成しました。彼らの仮想宇宙は、幅約2億3千万光年で、これまで単一銀河モデルでしか見られなかった詳細度のある数万の進化する銀河が含まれています。シミュレーションでは、138億年にわたって、暗黒物質、ガス、星、超巨大ブラックホールを表す200億を超える粒子を追跡しました。
前例のない解像度とスケールにより、研究者は私たち自身の宇宙の過去についての重要な洞察を収集でき、さまざまな奇妙な形の銀河がいかにして自分自身に変形したか、恒星の爆発とブラックホールがこの銀河の進化を引き起こしたかを明らかにしました。彼らの結果は、王立天文学会のジャーナルMonthly Noticesの2019年12月号で特集される2つの記事で公開されています。
TNG50は、IllustrisTNGプロジェクトによって作成された最新のシミュレーションであり、個々の銀河の細部を犠牲にすることなく、大規模な宇宙を生み出すことにより、ビッグバン以降の宇宙の進化の全体像を構築することを目的としています。
「これらのシミュレーションは巨大なデータセットであり、その中での銀河の形成と進化を分析して理解することで1トンを学ぶことができます」とフロリダ大学の物理学の准教授で研究の共著者であるポールトーリーは述べました。 「TNG50について根本的に新しいのは、銀河内で十分に高い質量および空間分解能が得られることです。これにより、システムの内部構造がどのように形成および進化しているかを明確に把握できます。」
モデルの細部への注意にはある程度の代償が伴います。シミュレーションには、ドイツのシュトゥットガルトにあるHazel Henスーパーコンピューターの16,000プロセッサーコアが1年以上継続的に実行されている必要があります。同じ計算では、シングルプロセッサシステムの計算に15,000年かかります。史上最も計算量の多い天体物理シミュレーションの1つであるにもかかわらず、研究者たちは投資が報われたと信じています。
ドイツのミュンヘンにあるマックスプランク宇宙物理学研究所のポスドク研究員であり、この研究の共著者であるディランネルソン氏は、声明の中で「この種の数値実験は、あなたが投入した以上の成果を上げた場合に特に成功します」と語った。 。 「シミュレーションでは、シミュレーションコードに明示的にプログラムされていない現象が見られます。これらの現象は、モデルユニバースの基本的な物理的要素の複雑な相互作用から自然な形で現れます。」
ビッグバンから138億年後の今日のように私たちの宇宙がなぜ出現するのかを理解するためには、その出現した現象が不可欠かもしれません。 TNG50により、研究者は、宇宙が誕生した直後に存在するガスの乱流雲から銀河がどのように出現したのかを直接見ることができました。彼らは、私たちの宇宙界に共通する円盤状の銀河がシミュレーション内で自然に出現し、中心の超大質量ブラックホールから伸びるスパイラルアーム、バルジ、バーなどの内部構造を生成することを発見しました。彼らがコンピューターで作成した宇宙を実際の観測と比較したところ、銀河の数は質的に現実と一致していることがわかりました。
彼らの銀河が秩序だった回転円盤に平らになり続けると、別の現象が現れ始めました。超新星爆発と各銀河の中心にある超大質量ブラックホールがガスの高速流出を引き起こしました。これらの流出は、銀河の上に数千光年も上昇するガスの噴水に変わりました。重力の綱引きは、最終的にこのガスの多くを銀河の円盤に戻し、それをその外縁に再分配して、ガスの流出と流入のフィードバックループを作成しました。新しい星を形成するための成分をリサイクルすることとは別に、流出は銀河の構造を変えることも示されました。リサイクルされたガスは、銀河の薄い回転ディスクへの変換を加速しました。
これらの最初の調査結果にもかかわらず、チームはモデルの分析を終えるにはほど遠いです。彼らはまた、世界中の天文学者が仮想宇宙を研究するために、シミュレーションのすべてのデータを公開する予定です。
「これらのシミュレーションが完了した今、私たちの前には大きな道があります」とトーリー氏は語った。 「研究者のチーム全体が、形成する銀河の詳細な特性と、そのデータに現れる新興の傾向をよりよく理解するために取り組んでいます。」
