การก่อตัวของกาแลคซีเป็นการเต้นรำที่ซับซ้อนระหว่างสสารกับพลังงานเกิดขึ้นบนเวทีที่มีสัดส่วนของจักรวาลและครอบคลุมหลายพันล้านปี ความหลากหลายของกาแลคซีที่มีโครงสร้างและแบบไดนามิกที่เราสังเกตเห็นในวันนี้เกิดขึ้นจากความโกลาหลที่ร้อนแรงของบิกแบงยังคงเป็นหนึ่งในปริศนาที่ยังไม่แก้ที่ยากที่สุดของจักรวาลวิทยา
ในการค้นหาคำตอบทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติได้สร้างแบบจำลองขนาดใหญ่ที่มีรายละเอียดมากที่สุดของจักรวาลจนถึงปัจจุบันซึ่งเป็นแบบจำลองที่เรียกว่า TNG50 จักรวาลเสมือนจริงของพวกเขากว้าง 230 ล้านปีแสงมีกาแลคซีที่พัฒนาหลายหมื่นแห่งโดยมีระดับของรายละเอียดที่เห็นก่อนหน้านี้เฉพาะในแบบจำลองกาแลคซีเดี่ยว การจำลองติดตามอนุภาคมากกว่า 20 พันล้านอนุภาคซึ่งเป็นตัวแทนของสสารมืดแก๊สดาวและหลุมดำมวลมหาศาลในช่วงเวลา 13.8 พันล้านปี
ความละเอียดและมาตราส่วนที่ไม่เคยปรากฏมาก่อนทำให้นักวิจัยรวบรวมข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญในอดีตของจักรวาลของเราเผยให้เห็นว่ากาแลคซีรูปทรงแปลก ๆ หลายรูปสามารถปรับตัวให้เข้ากับการเป็นอย่างไรและการระเบิดของดาวฤกษ์และหลุมดำอย่างไร ผลลัพธ์ของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ในสองบทความที่จะนำเสนอในวารสารธันวาคม พ.ศ. 2562 ประกาศรายเดือนของสมาคมดาราศาสตร์แห่งชาติ
TNG50 เป็นแบบจำลองล่าสุดที่สร้างขึ้นโดยโครงการ IllustrisTNG ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างภาพที่สมบูรณ์ของการวิวัฒนาการของจักรวาลของเราตั้งแต่บิกแบงโดยการสร้างจักรวาลขนาดใหญ่โดยไม่ต้องเสียสละละเอียดของกาแลคซีแต่ละแห่ง
"การจำลองเหล่านี้เป็นชุดข้อมูลขนาดใหญ่ที่เราสามารถเรียนรู้ได้หนึ่งตันโดยการผ่าและทำความเข้าใจการก่อตัวและวิวัฒนาการของกาแลคซีภายในพวกมัน" พอลทอร์รีย์ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยฟลอริดาและผู้ร่วมเขียนการศึกษากล่าว "สิ่งใหม่พื้นฐานเกี่ยวกับ TNG50 คือคุณได้รับความละเอียดสูงและความละเอียดเชิงพื้นที่ภายในกาแลคซีที่ให้ภาพที่ชัดเจนว่าโครงสร้างภายในของระบบมีลักษณะอย่างไรเมื่อพวกมันก่อตัวและวิวัฒนาการ"
รูปแบบของการใส่ใจในรายละเอียดนั้นมีค่าใช้จ่าย การจำลองต้องใช้แกนประมวลผล 16,000 คอร์ของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Hazel Hen ในสตุตการ์ตประเทศเยอรมนีซึ่งทำงานอย่างต่อเนื่องนานกว่าหนึ่งปี การคำนวณแบบเดียวกันนั้นจะใช้เวลาในการประมวลผลระบบเดียวเป็นเวลา 15,000 ปี แม้จะเป็นหนึ่งในการจำลองทางดาราศาสตร์ทางดาราศาสตร์ที่หนักหน่วงที่สุดในประวัติศาสตร์ แต่นักวิจัยเชื่อว่าการลงทุนของพวกเขาได้ผลตอบแทนแล้ว
"การทดลองเชิงตัวเลขประเภทนี้ประสบความสำเร็จเป็นพิเศษเมื่อคุณออกไปมากกว่าที่คุณใส่" Dylan Nelson เพื่อนหลังปริญญาเอกที่ Max Planck Institute for Astrophysics ในมิวนิคเยอรมนีและผู้ร่วมเขียนการศึกษากล่าวในแถลงการณ์ . "ในการจำลองของเราเราเห็นปรากฏการณ์ที่ไม่ได้รับการโปรแกรมอย่างชัดเจนในรหัสการจำลองปรากฏการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติจากการมีปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนของส่วนประกอบทางกายภาพพื้นฐานของแบบจำลองจักรวาลของเรา"
ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนั้นอาจจำเป็นต่อการเข้าใจว่าทำไมจักรวาลของเราถึงปรากฎในปัจจุบันเมื่อ 13.8 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง TNG50 อนุญาตให้นักวิจัยเห็นโดยตรงว่ากาแลคซีอาจเกิดจากเมฆก๊าซที่ปั่นป่วนในไม่นานหลังจากที่จักรวาลเกิด พวกเขาค้นพบว่ากาแลคซีที่มีรูปร่างเหมือนดิสก์ที่พบได้ทั่วไปในย่านจักรวาลของเรานั้นเกิดขึ้นตามธรรมชาติในแบบจำลองและผลิตโครงสร้างภายในรวมถึงแขนกังหัน, bulges และแท่งที่ยื่นออกมาจากหลุมดำมวลมหาศาล เมื่อพวกเขาเปรียบเทียบจักรวาลที่คอมพิวเตอร์สร้างขึ้นกับการสังเกตการณ์ในชีวิตจริงพวกเขาพบว่าประชากรกาแลคซีของพวกเขามีคุณภาพสอดคล้องกับความเป็นจริง
เมื่อกาแลคซีของพวกเขายังคงแบนลงในดิสก์หมุนที่มีการเรียงตัวดีปรากฏการณ์อื่นก็เริ่มปรากฏ การระเบิดของซูเปอร์โนวาและหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางของกาแลคซีแต่ละแห่งก่อให้เกิดการไหลของก๊าซความเร็วสูง การไหลของเหล่านี้เปลี่ยนไปเป็นน้ำพุที่เพิ่มขึ้นเป็นพัน ๆ ปีแสงเหนือกาแลคซี แรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงในที่สุดนำก๊าซจำนวนมากนี้กลับไปยังดิสก์ของกาแลคซีโดยกระจายไปที่ขอบด้านนอกของมันและสร้างวงผลป้อนกลับของการไหลของก๊าซและการไหลเข้า นอกเหนือจากการรีไซเคิลส่วนผสมเพื่อสร้างดาวดวงใหม่แล้วการไหลยังแสดงให้เห็นว่าเปลี่ยนโครงสร้างของกาแลคซี ก๊าซที่นำกลับมาใช้ใหม่นั้นเร่งการเปลี่ยนกาแลคซีให้เป็นดิสก์หมุนวน
แม้จะมีการค้นพบครั้งแรกเหล่านี้ทีมก็ยังห่างไกลจากการทำแบบจำลองของพวกเขาให้เสร็จ พวกเขายังวางแผนที่จะเผยแพร่ข้อมูลจำลองทั้งหมดต่อสาธารณะสำหรับนักดาราศาสตร์ทั่วโลกเพื่อศึกษาจักรวาลเสมือนจริงของพวกเขา
“ มีถนนใหญ่ข้างหน้าของเราในขณะนี้ว่าเราได้จำลองสถานการณ์เหล่านี้เสร็จสิ้นแล้ว” Torrey กล่าว ทีมนักวิจัยทั้งหมดกำลังทำงานเพื่อทำความเข้าใจรายละเอียดคุณสมบัติของกาแลคซีที่ก่อตัวขึ้นและแนวโน้มที่ปรากฎในข้อมูลนั้น
