منذ منتصف القرن العشرين ، كان لدى العلماء فكرة جيدة عن كيفية ظهور الكون. أعطى التوسع الكوني واكتشاف الخلفية الميكروية الكونية (CMB) مصداقية لنظرية الانفجار العظيم ، وأدى معدل التوسع المتسارع إلى نظريات حول الطاقة المظلمة. ومع ذلك ، هناك الكثير عن الكون المبكر الذي لا يزال العلماء لا يعرفونه ، الأمر الذي يتطلب منهم الاعتماد على المحاكاة في التطور الكوني.
لطالما شكل هذا مشكلة صغيرة لأن قيود الحوسبة تعني أن المحاكاة يمكن أن تكون إما واسعة النطاق أو مفصلة ، ولكن ليس كلاهما. ومع ذلك ، أكمل فريق من العلماء من ألمانيا والولايات المتحدة مؤخرًا المحاكاة الأكثر تفصيلاً حتى الآن. ستسمح هذه المحاكاة الحديثة المعروفة باسم TNG50 للباحثين بدراسة كيفية تطور الكون بالتفصيل وعلى نطاق واسع.
TNG50 هو أحدث محاكاة تنتجها IllustrisTNG ، وهو مشروع مستمر مخصص لإنشاء محاكاة كونية كبيرة لتكوين المجرات. من المثير للدهشة أنه يتجنب الفلكيين التقليديين في المقايضة. باختصار ، عانت المحاكاة التفصيلية من انخفاض الحجم في الماضي ، مما جعل الخصومات الإحصائية حول التطور الكوني واسع النطاق صعبة.
من ناحية أخرى ، تفتقر المحاكاة الكبيرة الحجم تقليديًا إلى التفاصيل اللازمة لإعادة إنتاج العديد من الخصائص الصغيرة على مستوى الكون ، مما يجعل تنبؤاتهم أقل موثوقية. إن TNG50 هو أول محاكاة من نوعه من حيث أنه تمكن من الجمع بين فكرة المحاكاة واسعة النطاق - مفهوم "الكون في صندوق" - مع نوع الدقة الذي كان ممكنًا في السابق فقط مع محاكاة المجرة.
أصبح هذا ممكنًا من خلال الكمبيوتر العملاق Hazel Hen في شتوتغارت ، حيث عمل 16000 نواة معًا لأكثر من عام - أطول محاكاة وأكثرها كثافة للموارد حتى الآن. تتكون المحاكاة نفسها من مكعب من الفضاء يبلغ قطره أكثر من 230 مليون سنة ضوئية ويحتوي على أكثر من 20 مليار جسيم يمثل المادة المظلمة والنجوم والغاز الكوني والمجالات المغناطيسية والثقوب السوداء الهائلة (SMBHs).
يمكن لـ TNG50 أيضًا تمييز الظواهر الفيزيائية التي تحدث على مقاييس تصل إلى واحد من المليون من الحجم الكلي (أي 230 سنة ضوئية). وهذا يسمح للمحاكاة بتتبع التطور المتزامن لآلاف المجرات على مدى 13.8 مليار سنة من التاريخ الكوني. تم نشر نتائج المحاكاة في ورقتين ظهرتا مؤخراً في المجلة الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
وقاد كلا الدراستين الدكتورة أناليزا بيليبيتش من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك ، والدكتورة ديلان نيلسون من معهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية. كما أوضح ديلان في بيان صحفي لـ RAS:
"إن التجارب العددية من هذا النوع ناجحة بشكل خاص عندما تخرج أكثر مما تدخل. في المحاكاة لدينا ، نرى ظواهر لم يتم برمجتها بشكل صريح في رمز المحاكاة. تظهر هذه الظواهر بطريقة طبيعية ، من التفاعل المعقد للمكونات المادية الأساسية لعالمنا النموذجي. "
بالإضافة إلى ذلك ، فإن TNG50 هو أول محاكاة من نوعه لظاهرتين ناشئتين تلعبان دورًا رئيسيًا في تطور المجرات. أولاً ، لاحظ فريق البحث أنه عندما نظروا إلى الوراء في الوقت المناسب ، فإن مجرات الأقراص المنظمة سريعة الدوران (مثل درب التبانة) ظهرت من السحب الغازية الفوضوية في البداية.
مع استقرار هذا الغاز ، تبنت النجوم حديثة الولادة مدارات دائرية متزايدة ، مما أفسح المجال في نهاية المطاف للمجرات الحلزونية الكبيرة. كما أوضحت الدكتورة أناليزا بيليبيتش:
"في الممارسة العملية ، تُظهر TNG50 أن مجرتنا درب التبانة بقرصها الرقيق هي في ذروة أزياء المجرات: على مدى العشرة مليارات سنة الماضية ، على الأقل تلك المجرات التي لا تزال تشكل نجومًا جديدة أصبحت تشبه الأقراص أكثر فأكثر ، وانخفضت حركاتهم الداخلية الفوضوية بشكل كبير. كان الكون أكثر فوضى عندما كان عمره بضعة مليارات سنة فقط! "
ظهرت الظاهرة الثانية الناشئة عندما كانت المجرات تتسطح في المحاكاة ، حيث شوهدت رياح غاز عالية السرعة تتدفق خارج المجرات. كان هذا مدفوعًا بانفجارات المستعرات الأعظمية والنشاط من SMBHs في قلب المجرات المحاكاة. مرة أخرى ، كانت العملية في البداية فوضوية مع تدفق الغاز في جميع الاتجاهات ، ولكن في النهاية أصبحت أكثر تركيزًا على طول مسار أقل مقاومة.
بحلول العصر الكوني الحالي ، تصبح هذه التدفقات على شكل مخروطي وتتدفق من الأطراف المقابلة للمجرة ، مع تباطؤ المادة لأنها تترك الجاذبية غير المرئية لبئر المادة المظلمة للمجرة. في النهاية ، تتوقف هذه المادة عن التدفق للخارج وتبدأ في التراجع ، لتصبح فعليًا نافورة مجرة من الغاز المعاد تدويره.
وبعبارة أخرى ، فإن هذه المحاكاة هي أيضًا الأولى من نوعها لإظهار كيف تحدد هندسة الغاز الكوني حول المجرات هياكلها (والعكس صحيح). لعملهم ، حصل الدكتور Pillepich و Dr. Nelson على جائزة Golden Spike لعام 2019 ، والتي تم إصدارها لأعضاء مجتمع البحث الدولي من قبل مركز الكمبيوتر عالي الأداء في شتوتغارت ، ألمانيا.
يزرع الدكتور نيلسون وزملاؤه أيضًا لإطلاق جميع بيانات محاكاة TNG50 في نهاية المطاف للمجتمع الفلكي وللجمهور. سيسمح هذا لعلماء الفلك والعلماء المواطنين بعمل اكتشافاتهم الخاصة من المحاكاة ، والتي يمكن أن تشمل أمثلة إضافية على الظواهر الكونية الناشئة أو القرارات إلى الألغاز الكونية الدائمة.
