Desde meados do século XX, os cientistas têm uma boa idéia de como o Universo surgiu. A expansão cósmica e a descoberta do Fundo Cósmico de Microondas (CMB) deram credibilidade à Teoria do Big Bang, e a taxa acelerada de expansão levou a teorias sobre a Energia Escura. Ainda assim, há muito sobre o Universo primitivo que os cientistas ainda não conhecem, o que exige que eles confiem em simulações da evolução cósmica.
Tradicionalmente, isso representa um problema, já que as limitações da computação significam que a simulação pode ser em larga escala ou detalhada, mas não ambas. No entanto, uma equipe de cientistas da Alemanha e dos Estados Unidos concluiu recentemente a simulação em larga escala mais detalhada até o momento. Conhecida como TNG50, essa simulação de ponta permitirá que os pesquisadores estudem como o cosmos evoluiu em detalhes e em larga escala.
O TNG50 é a mais recente simulação produzida pelo IllustrisTNG, um projeto em andamento dedicado à criação de grandes simulações cosmológicas da formação de galáxias. É inovador, pois evita que os astrônomos tradicionais sejam obrigados a enfrentar. Em resumo, simulações detalhadas sofriam de baixo volume no passado, o que dificultava deduções estatísticas sobre a evolução cósmica em larga escala.
As simulações de grande volume, por outro lado, tradicionalmente carecem de detalhes para reproduzir muitas das propriedades em pequena escala que as do Universo, o que torna suas previsões menos confiáveis. O TNG50 é a primeira simulação desse tipo em que consegue combinar a idéia de simulações em larga escala - o conceito "Universo em uma caixa" - com o tipo de resolução que antes era possível apenas com simulações de galáxias.
Isso foi possível pelo supercomputador Hazel Hen em Stuttgart, onde 16.000 núcleos trabalharam juntos por mais de um ano - a simulação mais longa e com mais recursos até o momento. A simulação em si consiste em um cubo de espaço medindo mais de 230 milhões de anos-luz de diâmetro que contém mais de 20 bilhões de partículas representando matéria escura, estrelas, gás cósmico, campos magnéticos e buracos negros supermassivos (SMBHs).
O TNG50 também pode discernir fenômenos físicos que ocorrem em escalas inferiores a um milionésimo do volume total (ou seja, 230 anos-luz). Isso permite que a simulação rastreie a evolução simultânea de milhares de galáxias ao longo de 13,8 bilhões de anos de história cósmica. Os resultados de sua simulação foram publicados em dois artigos publicados recentemente na revista. Avisos mensais da Royal Astronomical Society.
Ambos os estudos foram liderados pela Dra. Annalisa Pillepich, do Instituto Max Planck de Astronomia, e pela Dra. Dylan Nelson, do Instituto Max Planck de Astrofísica. Como Dylan explicou em um comunicado de imprensa da RAS:
“Experimentos numéricos desse tipo são particularmente bem-sucedidos quando você sai mais do que investe. 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. ”
Além disso, o TNG50 é a primeira simulação desse tipo para dois fenômenos emergentes que desempenham um papel fundamental na evolução das galáxias. Primeiro, a equipe de pesquisa percebeu que, ao olharem para trás no tempo, galáxias de disco em rápida rotação (como a Via Láctea) emergiram de nuvens de gás inicialmente caóticas.
À medida que esse gás se assentava, estrelas recém-nascidas adotavam órbitas cada vez mais circulares, dando lugar a grandes galáxias espirais. Como a Dra. Annalisa Pillepich explicou:
“Na prática, o TNG50 mostra que nossa própria galáxia da 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 movimentos internos caóticos diminuíram consideravelmente. O Universo estava muito mais confuso quando tinha apenas alguns bilhões de anos! ”
O segundo fenômeno emergente apareceu quando as galáxias se achataram na simulação, onde ventos de alta velocidade eram vistos fluindo das galáxias. Isso foi causado por explosões de supernovas e atividades de SMBHs no coração das galáxias simuladas. Mais uma vez, o processo foi inicialmente caótico, com gás fluindo em todas as direções, mas acabou se tornando mais focado em um caminho de menor resistência.
Na atual época cosmológica, esses fluxos se tornam em forma de cone e fluem das extremidades opostas da galáxia, com o material diminuindo à medida que deixa a gravidade invisível bem do halo de matéria escura da galáxia. Eventualmente, esse material para de fluir para o exterior e começa a recuar, tornando-se efetivamente uma fonte galáctica de gás reciclado.
Em outras palavras, essa simulação também é a primeira desse tipo a mostrar como a geometria do gás cósmico flui em torno das galáxias determina suas estruturas (e vice-versa). Por seu trabalho, o Dr. Pillepich e o Dr. Nelson foram premiados com o Golden Spike Award 2019, que é concedido a membros da comunidade internacional de pesquisa pelo Centro de Computação de Alto Desempenho em Stuttgart, Alemanha.
Nelson e seus colegas também planejam liberar todos os dados da simulação TNG50 para a comunidade astronômica e para o público. Isso permitirá que astrônomos e cientistas cidadãos façam suas próprias descobertas a partir da simulação, que pode incluir exemplos adicionais de fenômenos cósmicos emergentes ou resoluções para suportar mistérios cósmicos.
