A formação de galáxias é uma dança complexa entre matéria e energia, ocorrendo em um estágio de proporções cósmicas e abrangendo bilhões de anos. Como a diversidade de galáxias estruturadas e dinâmicas que observamos hoje surgiu do caos ardente do Big Bang continua sendo um dos mais difíceis enigmas não resolvidos da cosmologia.
Em busca de respostas, uma equipe internacional de cientistas criou o modelo de larga escala mais detalhado do universo até o momento, uma simulação que eles chamam de TNG50. Seu universo virtual, com cerca de 230 milhões de anos-luz de largura, contém dezenas de milhares de galáxias em evolução, com níveis de detalhe anteriormente vistos apenas em modelos de galáxias simples. A simulação acompanhou mais de 20 bilhões de partículas representando matéria escura, gases, estrelas e buracos negros supermassivos, durante um período de 13,8 bilhões de anos.
A resolução e escala sem precedentes permitiram que os pesquisadores reunissem insights importantes sobre o passado de nosso próprio universo, revelando como várias galáxias de formas estranhas se transformaram e como explosões estelares e buracos negros desencadearam essa evolução galáctica. Seus resultados são publicados em dois artigos que serão apresentados na edição de dezembro de 2019 da revista Monthly Notices da Royal Astronomical Society.
O TNG50 é a mais recente simulação criada pelo IllustrisTNG Project, que visa construir uma imagem completa de como o nosso universo evoluiu desde o Big Bang, produzindo um universo em grande escala sem sacrificar os detalhes das galáxias individuais.
"Essas simulações são enormes conjuntos de dados onde podemos aprender muito dissecando e compreendendo a formação e evolução das galáxias dentro delas", disse Paul Torrey, professor associado de física da Universidade da Flórida e co-autor do estudo. "O que é fundamentalmente novo no TNG50 é que você está obtendo uma resolução espacial e de massa suficientemente alta nas galáxias, que fornece uma imagem clara de como é a estrutura interna dos sistemas à medida que se formam e evoluem."
A atenção do modelo aos detalhes tem algum custo. A simulação exigiu 16.000 núcleos de processador do supercomputador Hazel Hen em Stuttgart, Alemanha, funcionando continuamente por mais de um ano. O mesmo cálculo levaria 15.000 anos para um sistema de processador único. Apesar de serem uma das simulações astrofísicas computacionais mais pesadas da história, os pesquisadores acreditam que seu investimento valeu a pena.
"Experimentos numéricos desse tipo são particularmente bem-sucedidos quando você sai mais do que investe", disse Dylan Nelson, pós-doutorado no Instituto Max Planck de Astrofísica em Munique, Alemanha, e co-autor do estudo, em comunicado. . "Em nossa simulação, vemos fenômenos que não foram programados explicitamente no código de simulação. Esses fenômenos emergem de uma maneira natural, a partir da complexa interação dos ingredientes físicos básicos do nosso universo modelo".
Esse fenômeno emergente pode ser essencial para entender por que nosso universo aparece como é hoje 13,8 bilhões de anos após o Big Bang. O TNG50 permitiu aos pesquisadores ver em primeira mão como as galáxias podem ter emergido das turbulentas nuvens de gás presentes logo após o nascimento do universo. Eles descobriram que as galáxias em forma de disco comuns à nossa vizinhança cósmica emergiram naturalmente dentro de sua simulação e produziram estruturas internas, incluindo braços em espiral, protuberâncias e barras que se estendiam de seus buracos negros supermassivos centrais. Quando compararam seu universo gerado por computador com observações da vida real, descobriram que sua população de galáxias era qualitativamente consistente com a realidade.
À medida que suas galáxias continuavam achatadas em discos rotativos bem ordenados, outro fenômeno começou a surgir. Explosões de supernovas e buracos negros supermassivos no coração de cada galáxia criaram fluxos de gás em alta velocidade. Essas saídas se transformaram em fontes de gás subindo milhares de anos-luz acima de uma galáxia. O puxão de gravidade finalmente trouxe grande parte desse gás de volta ao disco da galáxia, redistribuindo-o para sua borda externa e criando um ciclo de feedback da saída e entrada de gás. Além de reciclar os ingredientes para a formação de novas estrelas, os fluxos também mudaram a estrutura de sua galáxia. Os gases reciclados aceleraram a transformação de galáxias em finos discos rotativos.
Apesar dessas descobertas iniciais, a equipe está longe de terminar de dissecar seu modelo. Eles também planejam liberar todos os dados da simulação publicamente para os astrônomos de todo o mundo estudarem seu cosmos virtual.
"Há uma estrada enorme pela frente agora que concluímos essas simulações", disse Torrey. "Uma equipe inteira de pesquisadores está trabalhando para entender melhor as propriedades detalhadas das galáxias que se formam e quais tendências emergentes aparecem nesses dados".
