تشكل المجرات رقصة معقدة بين المادة والطاقة ، تحدث على مرحلة ذات أبعاد كونية تمتد على مدى مليارات السنين. كيف نشأ تنوع المجرات المنظمة والديناميكية التي نشاهدها اليوم من الفوضى النارية في الانفجار الكبير لا تزال واحدة من أصعب الألغاز الكونية غير المحسومة.
بحثًا عن إجابات ، ابتكر فريق دولي من العلماء النموذج الأكثر تفصيلاً للكون حتى الآن ، وهو محاكاة يسمونها TNG50. يحتوي عالمهم الافتراضي ، الذي يبلغ عرضه 230 مليون سنة ضوئية ، على عشرات الآلاف من المجرات المتطورة بمستويات من التفاصيل لم تكن تُرى سابقًا إلا في نماذج المجرة الواحدة. تعقبت المحاكاة أكثر من 20 مليار جسيم تمثل المادة المظلمة والغازات والنجوم والثقوب السوداء الهائلة على مدى 13.8 مليار سنة.
سمح القرار والحجم غير المسبوق للباحثين بجمع رؤى رئيسية حول ماضي الكون الخاص بنا ، وكشفوا كيف تحولت المجرات المختلفة ذات الأشكال الغريبة إلى وجود وكيف أن الانفجارات النجمية والثقوب السوداء هي التي حفزت هذا التطور المجري. تنشر نتائجهم في مقالتين ستعرض في عدد ديسمبر 2019 من مجلة الإشعارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية.
TNG50 هو أحدث محاكاة تم إنشاؤها بواسطة مشروع IllustrisTNG ، والذي يهدف إلى بناء صورة كاملة عن كيفية تطور كوننا منذ الانفجار الكبير من خلال إنتاج كون واسع النطاق دون التضحية بالتفاصيل الدقيقة للمجرات الفردية.
قال بول توري ، أستاذ الفيزياء المساعد بجامعة فلوريدا والمؤلف المشارك في إعداد الدراسة: "هذه المحاكاة هي مجموعات بيانات ضخمة حيث يمكننا تعلم الكثير من خلال تشريح وفهم تشكيل وتطور المجرات داخلها". "ما هو جديد في TNG50 بشكل أساسي ، هو أنك تحصل على كتلة عالية بما فيه الكفاية ودقة مكانية داخل المجرات تمنحك صورة واضحة لما تبدو عليه البنية الداخلية للأنظمة أثناء تكوينها وتطورها."
يأتي اهتمام النموذج بالتفاصيل بتكلفة ما. تطلبت المحاكاة 16000 نوى معالج للكمبيوتر العملاق Hazel Hen في شتوتغارت ، ألمانيا ، والتي تعمل بشكل مستمر لأكثر من عام. سيستغرق الحساب نفسه نظام معالج واحد 15000 سنة للحساب. على الرغم من كونها واحدة من أكثر عمليات المحاكاة الفيزيائية الفلكية ثقيلة من الناحية الحسابية في التاريخ ، يعتقد الباحثون أن استثماراتهم قد آتت ثمارها.
وقال ديلان نيلسون ، زميل ما بعد الدكتوراه في معهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية في ميونيخ بألمانيا ، والمؤلف المشارك للدراسة ، في بيان: "التجارب العددية من هذا النوع ناجحة بشكل خاص عندما تخرج أكثر مما تدخل". . "في محاكاة لنا ، نرى ظواهر لم يتم برمجتها بشكل واضح في رمز المحاكاة. هذه الظواهر تظهر بطريقة طبيعية ، من التفاعل المعقد للمكونات المادية الأساسية لعالمنا النموذجي."
قد تكون هذه الظاهرة الناشئة ضرورية لفهم سبب ظهور كوننا كما هو اليوم بعد 13.8 مليار سنة من الانفجار الكبير. سمحت TNG50 للباحثين برؤية كيفية ظهور المجرات من السحب الغازية المضطربة الموجودة بعد وقت قصير من ولادة الكون. اكتشفوا أن المجرات على شكل قرص مشتركة في جوارنا الكوني ظهرت بشكل طبيعي داخل محاكاة لها وأنتجت هياكل داخلية ، بما في ذلك الأذرع الحلزونية والانتفاخات والقضبان الممتدة من الثقوب السوداء الفائقة المركزية. عندما قارنوا كونهم الذي تم إنشاؤه بواسطة الكمبيوتر بملاحظات الحياة الواقعية ، وجدوا أن عدد المجرات المتوافق معها نوعيًا مع الواقع.
مع استمرار مجراتها في التسوية إلى أقراص دوارة منظمة جيدًا ، بدأت ظاهرة أخرى في الظهور. خلقت انفجارات المستعر الأعظم والثقوب السوداء الهائلة في قلب كل مجرة تدفقات عالية السرعة من الغازات. تحولت هذه التدفقات إلى نوافير من الغاز ترتفع آلاف السنين الضوئية فوق مجرة. أعاد شد الجاذبية في نهاية المطاف الكثير من هذا الغاز إلى قرص المجرة ، وأعاد توزيعه إلى حافته الخارجية وخلق حلقة تغذية مرتدة من تدفق الغاز وتدفقه. وبصرف النظر عن إعادة تدوير المكونات لتشكيل النجوم الجديدة ، فقد ثبت أيضًا أن التدفقات الخارجية تغير هيكل مجرتهم. عملت الغازات المعاد تدويرها على تسريع تحويل المجرات إلى أقراص دوارة رقيقة.
على الرغم من هذه النتائج الأولية ، فإن الفريق بعيد عن الانتهاء من تشريح نموذجهم. كما أنهم يخططون لإطلاق جميع بيانات المحاكاة علنًا لعلماء الفلك في جميع أنحاء العالم لدراسة الكون الافتراضي الخاص بهم.
قال توري: "أمامنا طريق ضخم الآن وقد أكملت هذه المحاكاة". "يعمل فريق كامل من الباحثين على فهم الخصائص التفصيلية للمجرات التي تتشكل وماهية الاتجاهات الناشئة التي تظهر في تلك البيانات."
