La formation de galaxies est une danse complexe entre la matière et l'énergie, se produisant sur une scène aux proportions cosmiques et s'étalant sur des milliards d'années. Comment la diversité des galaxies structurées et dynamiques que nous observons aujourd'hui est née du chaos ardent du Big Bang reste l'un des casse-tête les plus difficiles de la cosmologie.
À la recherche de réponses, une équipe internationale de scientifiques a créé le modèle à grande échelle le plus détaillé de l'univers à ce jour, une simulation qu'ils appellent TNG50. Leur univers virtuel, d'environ 230 millions d'années-lumière de large, contient des dizaines de milliers de galaxies évolutives avec des niveaux de détail auparavant vus uniquement dans les modèles à galaxie unique. La simulation a suivi plus de 20 milliards de particules représentant la matière noire, les gaz, les étoiles et les trous noirs supermassifs, sur une période de 13,8 milliards d'années.
La résolution et l'échelle sans précédent ont permis aux chercheurs de recueillir des informations clés sur le passé de notre propre univers, révélant comment diverses galaxies aux formes étranges se sont transformées en être et comment des explosions stellaires et des trous noirs ont déclenché cette évolution galactique. Leurs résultats sont publiés dans deux articles à paraître dans le numéro de décembre 2019 de la revue Monthly Notices de la Royal Astronomical Society.
TNG50 est la dernière simulation créée par le projet IllustrisTNG, qui vise à construire une image complète de l'évolution de notre univers depuis le Big Bang en produisant un univers à grande échelle sans sacrifier les détails fins des galaxies individuelles.
"Ces simulations sont d'énormes ensembles de données où nous pouvons apprendre une tonne en disséquant et en comprenant la formation et l'évolution des galaxies en leur sein", a déclaré Paul Torrey, professeur agrégé de physique à l'Université de Floride et co-auteur de l'étude. "Ce qui est fondamentalement nouveau à propos du TNG50, c'est que vous atteignez une masse et une résolution spatiale suffisamment élevées dans les galaxies qui vous donnent une image claire de ce à quoi ressemble la structure interne des systèmes lorsqu'ils se forment et évoluent."
L'attention portée aux détails par le modèle a un coût. La simulation a nécessité 16 000 cœurs de processeur du supercalculateur Hazel Hen à Stuttgart, en Allemagne, fonctionnant en continu pendant plus d'un an. Le même calcul prendrait un système à processeur unique de 15 000 ans à calculer. Bien qu'il s'agisse de l'une des simulations astrophysiques les plus lourdes en calcul de l'histoire, les chercheurs pensent que leur investissement a porté ses fruits.
"Des expériences numériques de ce type sont particulièrement réussies lorsque vous en retirez plus que vous n'en investissez", a déclaré dans un communiqué Dylan Nelson, chercheur postdoctoral à l'Institut Max Planck d'astrophysique de Munich, en Allemagne, et co-auteur de l'étude. . "Dans notre simulation, nous voyons des phénomènes qui n'avaient pas été programmés explicitement dans le code de simulation. Ces phénomènes émergent de manière naturelle, de l'interaction complexe des ingrédients physiques de base de notre univers modèle."
Ce phénomène émergent pourrait être essentiel pour comprendre pourquoi notre univers apparaît tel qu'il est aujourd'hui 13,8 milliards d'années après le Big Bang. Le TNG50 a permis aux chercheurs de voir de première main comment les galaxies ont pu émerger des nuages turbulents de gaz présents peu après la naissance de l'univers. Ils ont découvert que les galaxies en forme de disque communes à notre voisinage cosmique ont naturellement émergé dans leur simulation et ont produit des structures internes, y compris des bras en spirale, des renflements et des barres s'étendant de leurs trous noirs supermassifs centraux. Lorsqu'ils ont comparé leur univers généré par ordinateur aux observations de la vie réelle, ils ont découvert que leur population de galaxies était qualitativement cohérente avec la réalité.
Alors que leurs galaxies continuaient de s'aplatir en disques rotatifs bien ordonnés, un autre phénomène a commencé à émerger. Les explosions de supernova et les trous noirs supermassifs au cœur de chaque galaxie ont créé des sorties de gaz à grande vitesse. Ces écoulements se sont transformés en fontaines de gaz s'élevant à des milliers d'années-lumière au-dessus d'une galaxie. Le remorqueur de gravité a finalement ramené une grande partie de ce gaz vers le disque de la galaxie, le redistribuant à son bord extérieur et créant une boucle de rétroaction de sortie et d'entrée de gaz. En plus de recycler les ingrédients pour former de nouvelles étoiles, les flux sortants ont également été modifiés pour modifier la structure de leur galaxie. Les gaz recyclés ont accéléré la transformation des galaxies en disques rotatifs minces.
Malgré ces premiers résultats, l'équipe est loin d'avoir disséqué son modèle. Ils prévoient également de publier toutes les données de la simulation pour que les astronomes du monde entier étudient leur cosmos virtuel.
"Il y a une énorme route devant nous maintenant que nous avons terminé ces simulations", a déclaré Torrey. "Toute une équipe de chercheurs travaille à mieux comprendre les propriétés détaillées des galaxies qui se forment et quelles tendances émergentes apparaissent dans ces données."
