Surgencias galácticas, orden que emerge del caos con la simulación TNG50

Imagen de la luz óptica emitida por las estrellas de una galaxia espiral de la simulación TNG50. Crédito: D. Nelson (MPA) y el equipo IllustrisTNG, atribución de tipo de licencia (CC BY 4.0).

Científicos de Alemania y Estados Unidos han revelado los resultados de una nueva simulación de última generación de la evolución de las galaxias. TNG50 es la simulación cosmológica a gran escala más detallada hasta ahora. Permite a los investigadores estudiar en detalle cómo se forman las galaxias y cómo han evolucionado desde poco después del Big Bang. Por primera vez, revela que la geometría del flujo de gas cósmico alrededor de las galaxias determina las estructuras de las galaxias, y viceversa. Los investigadores publican sus resultados en dos artículos en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

Los astrónomos que realizan simulaciones cosmológicas se enfrentan a un sacrificio fundamental: con poder de cómputo finito, las simulaciones típicas hasta ahora han sido muy detalladas o han abarcado un gran volumen de espacio virtual, pero hasta ahora no han podido hacer ambas cosas. Las simulaciones detalladas con volúmenes limitados no pueden modelar más que unas pocas galaxias, lo que dificulta las deducciones estadísticas. Las simulaciones de gran volumen, a su vez, generalmente carecen de los detalles necesarios para reproducir muchas de las propiedades a pequeña escala que observamos en nuestro propio universo, reduciendo su poder predictivo. 

Imágenes de la luz óptica emitida por las estrellas de 16 galaxias de la simulación TNG50. Cada galaxia se ve de frente o desde la parte superior (subpaneles superiores) y de borde o desde el lado (subpaneles inferiores). Crédito: D. Nelson (MPA) y el equipo IllustrisTNG. Tipo de licencia Atribución (CC BY 4.0).

La simulación TNG50, que acaba de ser publicada, logra evitar este sacrificio. Por primera vez, combina la idea de una simulación cosmológica a gran escala, un universo en una caja, con la resolución computacional de las simulaciones de "zoom", a un nivel de detalle que anteriormente solo había sido posible para estudios de galaxias individuales. 

En un cubo de espacio simulado que tiene más de 230 millones de años luz de diámetro, TNG50 puede discernir fenómenos físicos que ocurren en escalas un millón de veces más pequeñas, rastreando la evolución simultánea de miles de galaxias a lo largo de 13,8 mil millones de años de historia cósmica. Lo hace con más de 20 mil millones de partículas que representan materia oscura (invisible), estrellas, gas cósmico, campos magnéticos y agujeros negros supermasivos. El cálculo en sí mismo requirió 16.000 núcleos en la supercomputadora Hazel Hen en Stuttgart, trabajando juntos, 24 horas los 7 días, durante más de un año, el equivalente a quince mil años en un solo procesador, lo que lo convierte en uno de los cálculos astrofísicos más exigentes hasta la fecha. 

La formación de una sola galaxia masiva a través del tiempo, desde las primeras épocas cósmicas hasta la actualidad, en la simulación cósmica TNG50. El panel principal muestra la densidad del gas cósmico (alto en blanco, bajo en negro). Los recuadros muestran materia oscura a gran escala y luego gas (abajo a la izquierda) y distribuciones estelares y gaseosas a pequeña escala (abajo a la derecha). Esta galaxia TNG50 será similar en masa y forma a Andrómeda (M31) cuando la película alcance la época actual. Su progenitor experimenta una rápida formación de estrellas en un depósito de gas turbulento que se instala en un disco ordenado después de un par de miles de millones de años de evolución cósmica. Una historia de ensamblaje bastante tardía y sin fusiones importantes permite que la galaxia se relaje en un equilibrio equilibrado de las salidas de gas de las explosiones de supernovas y la acumulación de gas de su entorno. Crédito: D. Nelson (MPA) y el equipo IllustrisTNG.

Los primeros resultados científicos de TNG50 son publicados por un equipo dirigido por la Dra. Annalisa Pillepich (Instituto Max Planck de Astronomía, Heidelberg) y el Dr. Dylan Nelson (Instituto Max Planck de Astrofísica, Garching) y revelan fenómenos físicos imprevistos. Según Nelson: "Los experimentos numéricos de este tipo son particularmente exitosos cuando sacas más de lo que le pones. En nuestra simulación, vemos fenómenos que no habían sido programados explícitamente en el código de simulación. Estos fenómenos emergen de manera natural, de la compleja interacción de los ingredientes físicos básicos de nuestro universo modelo ". 

TNG50 presenta dos ejemplos destacados para este tipo de comportamiento emergente. El primero se refiere a la formación de galaxias con "disco" como nuestra propia Vía Láctea. Utilizando la simulación como una máquina del tiempo para rebobinar la evolución de la estructura cósmica, los investigadores han visto cómo las galaxias de disco bien ordenadas y de rotación rápida (que son comunes en nuestro Universo cercano) emergen de nubes de gas caóticas, desorganizadas y altamente turbulentas en épocas anteriores 

A medida que el gas se estabiliza, las estrellas recién nacidas se encuentran típicamente en más y más órbitas circulares, formando finalmente grandes galaxias espirales, carruseles galácticos. Annalisa Pillepich explica: "En la práctica, TNG50 muestra que nuestra propia galaxia, la Vía Láctea con su disco delgado, está a la altura de la moda de las galaxias: en los últimos 10 mil millones de años, al menos esas galaxias que todavía están formando nuevas estrellas se han vuelto más y más como un disco, y sus movimientos internos caóticos han disminuido considerablemente. ¡El Universo era mucho más desordenado cuando tenía solo unos pocos miles de millones de años! " 

Evolución durante unos cientos de millones de años (de arriba a abajo) del gas alrededor de una galaxia a partir de la simulación TNG50, con un agujero negro supermasivo activo en su centro. El agujero negro en el centro de esta galaxia está consumiendo gas de su entorno y al hacerlo está generando grandes cantidades de energía. La liberación de esta energía produce vientos ultrarrápidos, que se expanden rápidamente lejos de la galaxia y crecen en tamaño hasta llegar a ser miles de veces más grandes de lo que comenzaron. Estas salidas impulsadas por agujeros negros alcanzan velocidades de decenas de miles de kilómetros por segundo, tienen temperaturas que exceden los millones de grados y llevan consigo grandes cantidades de elementos pesados ​​como oxígeno, carbono y hierro. Las cuatro columnas muestran, de izquierda a derecha, la evolución de la velocidad, temperatura, densidad y contenido de elementos pesados ​​alrededor de la galaxia. La galaxia misma es un disco frío (azul, segunda columna), denso (amarillo, tercera columna) de gas formador de estrellas visible como una pequeña losa vertical en el centro de cada imagen. Crédito: D. Nelson (MPA) y el equipo IllustrisTNG. Tipo de licencia Atribución (CC BY 4.0).

A medida que estas galaxias se aplanan, los investigadores encontraron otro fenómeno emergente, que involucra las salidas de alta velocidad y los vientos de gas que fluyen de las galaxias. Esto se lanzó como resultado de las explosiones de estrellas masivas (supernovas) y la actividad de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el corazón de las galaxias. Los flujos gaseosos galácticos inicialmente son también caóticos y fluyen en todas las direcciones, pero con el tiempo, comienzan a enfocarse más en un camino de menor resistencia. 

En el universo tardío, los flujos que salen de las galaxias toman la forma de dos conos, que emergen en direcciones opuestas, como dos conos de helado colocados de punta a punta, con la galaxia girando en el centro. Estos flujos de material se ralentizan a medida que intentan abandonar el pozo gravitacional del halo de materia invisible (u oscura) de la galaxia, y eventualmente pueden detenerse y retroceder, formando una fuente galáctica de gas reciclado. Este proceso redistribuye el gas desde el centro de una galaxia hasta sus alrededores, acelerando aún más la transformación de la galaxia en un disco delgado: la estructura galáctica da forma a las fuentes galácticas, y viceversa. 

El equipo de científicos que crearon TNG50 (con sede en los Institutos Max-Planck en Garching y Heidelberg, la Universidad de Harvard, el MIT y el Centro de Astrofísica Computacional (CCA)) finalmente lanzará todos los datos de simulación a la comunidad de astronomía en general, así como para el público. Esto permitirá a los astrónomos de todo el mundo hacer sus propios descubrimientos en el universo TNG50, y posiblemente encontrar ejemplos adicionales de fenómenos cósmicos emergentes, del orden que emerge del caos. 

Fuente: Royal Astronomical Society,