Die ersten Ergebnisse des IllustrisTNG-Projekts wurden in drei separaten Studien veröffentlicht und werfen ein neues Licht darauf, wie Schwarze Löcher den Kosmos formen und wie sich Galaxien bilden und wachsen. Das IllustrisTNG-Projekt bezeichnet sich selbst als „die nächste Generation kosmologischer hydrodynamischer Simulationen“. Das Projekt ist eine fortlaufende Reihe massiver hydrodynamischer Simulationen unseres Universums. Ihr Ziel ist es, die physikalischen Prozesse zu verstehen, die die Bildung von Galaxien antreiben.
Das Herzstück von IllustriousTNG ist ein hochmodernes numerisches Modell des Universums, das auf einem der leistungsstärksten Supercomputer der Welt läuft: der Hazel Hen-Maschine im Hochleistungsrechenzentrum in Stuttgart. Hazel Hen ist Deutschlands schnellster Computer und der 19. schnellste der Welt.
Unser aktuelles kosmologisches Modell legt nahe, dass die Masse-Energie-Dichte des Universums von dunkler Materie und dunkler Energie dominiert wird. Da wir keines dieser Dinge beobachten können, besteht die einzige Möglichkeit, dieses Modell zu testen, darin, präzise Vorhersagen über die Struktur der Dinge zu treffen, die wir sehen können, wie Sterne, diffuses Gas und akkretierende Schwarze Löcher. Diese sichtbaren Dinge sind in einem kosmischen Netz aus Blättern, Filamenten und Hohlräumen organisiert. In diesen befinden sich Galaxien, die die Grundeinheiten der kosmischen Struktur darstellen. Um unsere Vorstellungen von der galaktischen Struktur zu testen, müssen wir detaillierte und realistische simulierte Galaxien erstellen und diese dann mit den tatsächlichen vergleichen.
Astrophysiker in den USA und in Deutschland haben mit IllustrisTNG ihr eigenes Universum geschaffen, das dann detailliert untersucht werden konnte. IllustrisTNG korreliert sehr stark mit Beobachtungen des realen Universums, ermöglicht es Wissenschaftlern jedoch, Dinge zu betrachten, die in unserem eigenen Universum verdeckt sind. Dies hat bisher zu einigen sehr interessanten Ergebnissen geführt und hilft bei der Beantwortung einiger großer Fragen in der Kosmologie und Astrophysik.
Seit wir erfahren haben, dass Galaxien in ihren Zentren supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) beherbergen, wird allgemein angenommen, dass sie einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung von Galaxien und möglicherweise auf ihre Entstehung haben. Dies führte zu der offensichtlichen Frage: Wie beeinflussen diese SMBHs die Galaxien, in denen sie sich befinden? Das berühmte TNG wollte dies beantworten, und das Papier von Dr. Dylan Nelson vom Max-Planck-Institut für Astrophysik zeigt, dass „der Haupttreiber des Galaxienfarbübergangs die supermassive Rückkopplung von Schwarzen Löchern in ihrem Zustand mit geringer Akkretion ist“.
"Die einzige physikalische Einheit, die die Sternentstehung in unseren großen elliptischen Galaxien auslöschen kann, sind die supermassiven Schwarzen Löcher in ihren Zentren." - Dr. Dylan Nelson, Max-Planck-Institut für Astrophysik,
Galaxien, die sich noch in der Sternentstehungsphase befinden, leuchten hell im blauen Licht ihrer jungen Sterne. Dann ändert sich etwas und die Sternentstehung endet. Danach wird die Galaxie von älteren roten Sternen dominiert und die Galaxie verbindet sich mit einem Friedhof voller „roter und toter“ Galaxien. Wie Nelson erklärt: "Die einzige physikalische Einheit, die die Sternentstehung in unseren großen elliptischen Galaxien auslöschen kann, sind die supermassiven Schwarzen Löcher in ihren Zentren." Aber wie machen sie das?
Nelson und seine Kollegen führen dies auf das supermassive Feedback von Schwarzen Löchern in seinem Zustand mit geringer Akkretion zurück. Das bedeutet, dass ein Schwarzes Loch beim Füttern einen Wind oder eine Stoßwelle erzeugt, die sternbildendes Gas und Staub aus der Galaxie bläst. Dies begrenzt die zukünftige Bildung von Sternen. Die vorhandenen Sterne altern und werden rot, und es bilden sich nur wenige neue blaue Sterne.
Es wurde lange angenommen, dass sich große Galaxien bilden, wenn sich kleinere Galaxien zusammenschließen. Wenn die Galaxie größer wird, zieht ihre Schwerkraft mehr kleinere Galaxien hinein. Während dieser Kollisionen werden Galaxien auseinandergerissen. Einige Sterne werden verstreut sein und sich in einem Heiligenschein um die neue, größere Galaxie niederlassen. Dies sollte der neu geschaffenen Galaxie einen schwachen Hintergrundschein von Sternenlicht verleihen. Aber dies ist eine Vorhersage, und diese blassen Lichter sind sehr schwer zu beobachten.
"Unsere Vorhersagen können jetzt systematisch von Beobachtern überprüft werden." - Dr. Annalisa Pillepich (Max-Planck-Institut für Astrophysik)
IllustrisTNG konnte genauer vorhersagen, wie dieses Leuchten aussehen sollte. Dies gibt Astronomen eine bessere Vorstellung davon, wonach sie suchen müssen, wenn sie versuchen, dieses blasse Sternlicht im realen Universum zu beobachten. „Unsere Vorhersagen können jetzt systematisch von Beobachtern überprüft werden“, betont Dr. Annalisa Pillepich (MPIA), die eine weitere IllustrisTNG-Studie leitete. "Dies liefert einen kritischen Test für das theoretische Modell der hierarchischen Galaxienbildung."
IllustrisTNG ist eine fortlaufende Reihe von Simulationen. Bisher gab es drei IllustrisTNG-Läufe, von denen jeder eine größere Simulation als der vorherige erstellte. Sie sind TNG 50, TNG 100 und TNG 300. TNG300 ist viel größer als TNG50 und ermöglicht die Untersuchung eines größeren Bereichs, der Hinweise auf eine großräumige Struktur gibt. Obwohl TNG50 viel kleiner ist, hat es viel präzisere Details. Es gibt uns einen detaillierteren Blick auf die strukturellen Eigenschaften von Galaxien und die detaillierte Struktur von Gas um Galaxien. TNG100 ist irgendwo in der Mitte.
IllustrisTNG ist nicht die erste kosmologische hydrodynamische Simulation. Andere sind Eagle, Horizon-AGN und IllustrisTNGs Vorgänger Illustris. Sie haben gezeigt, wie leistungsfähig diese prädiktiven theoretischen Modelle sein können. Wenn unsere Computer leistungsfähiger werden und unser Verständnis von Physik und Kosmologie mitwächst, werden diese Arten von Simulationen zu detaillierteren Ergebnissen führen.
