Pembentukan galaksi adalah tarian kompleks antara materi dan energi, terjadi pada tahap proporsi kosmik dan membentang miliaran tahun. Bagaimana keanekaragaman galaksi terstruktur dan dinamis yang kita amati saat ini muncul dari kekacauan berapi-api Big Bang tetap menjadi salah satu teka-teki kosmologi yang paling sulit dipecahkan.
Dalam mencari jawaban, tim ilmuwan internasional telah menciptakan model alam semesta berskala besar paling detail hingga saat ini, sebuah simulasi yang mereka sebut TNG50. Alam semesta virtual mereka, sekitar 230 juta tahun cahaya, mengandung puluhan ribu galaksi yang berkembang dengan tingkat detail yang sebelumnya hanya terlihat dalam model galaksi tunggal. Simulasi ini melacak lebih dari 20 miliar partikel yang mewakili materi gelap, gas, bintang, dan lubang hitam supermasif, selama periode 13,8 miliar tahun.
Resolusi dan skala yang belum pernah terjadi sebelumnya memungkinkan para peneliti untuk mengumpulkan wawasan kunci ke masa lalu alam semesta kita sendiri, mengungkapkan bagaimana berbagai galaksi berbentuk aneh berubah menjadi ada dan bagaimana ledakan bintang dan lubang hitam memicu evolusi galaksi ini. Hasilnya diterbitkan dalam dua artikel yang akan ditampilkan dalam edisi Desember 2019 jurnal Monthly Noticeices dari Royal Astronomical Society.
TNG50 adalah simulasi terbaru yang dibuat oleh IllustrisTNG Project, yang bertujuan untuk membangun gambaran lengkap tentang bagaimana alam semesta kita berevolusi sejak Big Bang dengan menghasilkan alam semesta berskala besar tanpa mengorbankan detail halus galaksi individu.
"Simulasi ini adalah kumpulan data besar di mana kita dapat belajar banyak dengan membedah dan memahami pembentukan dan evolusi galaksi di dalamnya," kata Paul Torrey, profesor fisika di University of Florida dan penulis pendamping penelitian ini. "Apa yang secara fundamental baru tentang TNG50, adalah Anda mendapatkan resolusi spasial dan massa yang cukup tinggi di dalam galaksi yang memberi Anda gambaran yang jelas tentang seperti apa struktur internal sistem ketika mereka terbentuk dan berevolusi."
Perhatian model terhadap detail datang dengan biaya tertentu. Simulasi tersebut membutuhkan 16.000 core prosesor dari superkomputer Hazel Hen di Stuttgart, Jerman, berjalan terus menerus selama lebih dari setahun. Perhitungan yang sama akan membutuhkan sistem prosesor tunggal 15.000 tahun untuk dihitung. Meskipun merupakan salah satu simulasi astrofisika paling berat dalam sejarah, para peneliti percaya investasi mereka telah terbayar.
"Eksperimen numerik semacam ini sangat berhasil ketika Anda keluar lebih banyak daripada yang Anda lakukan," Dylan Nelson, seorang rekan pascadoktoral di Institut Max Planck untuk Astrofisika di Munich, Jerman, dan penulis pendamping penelitian ini, mengatakan dalam sebuah pernyataan. . "Dalam simulasi kami, kami melihat fenomena yang belum diprogram secara eksplisit ke dalam kode simulasi. Fenomena ini muncul secara alami, dari interaksi yang rumit dari bahan-bahan fisik dasar dari alam semesta model kami."
Fenomena yang muncul itu mungkin penting untuk memahami mengapa alam semesta kita muncul seperti sekarang 13,8 miliar tahun setelah Big Bang. TNG50 memungkinkan para peneliti untuk melihat secara langsung bagaimana galaksi mungkin muncul dari awan gas yang bergejolak yang hadir tak lama setelah alam semesta lahir. Mereka menemukan bahwa galaksi berbentuk cakram yang umum di lingkungan kosmik kita secara alami muncul dalam simulasi mereka dan menghasilkan struktur internal, termasuk lengan spiral, tonjolan, dan batang memanjang dari lubang hitam supermasif pusat mereka. Ketika mereka membandingkan alam semesta yang dihasilkan komputer dengan pengamatan kehidupan nyata, mereka menemukan bahwa populasi galaksi mereka secara kualitatif konsisten dengan kenyataan.
Ketika galaksi mereka terus mendatar menjadi cakram berputar yang tertata dengan baik, fenomena lain mulai muncul. Ledakan supernova dan lubang hitam supermasif di jantung setiap galaksi menciptakan aliran keluar gas berkecepatan tinggi. Aliran keluar ini berubah menjadi air mancur gas yang naik ribuan tahun cahaya di atas galaksi. Tarik-menarik gravitasi akhirnya membawa sebagian besar gas ini kembali ke cakram galaksi, mendistribusikannya kembali ke tepi luarnya dan menciptakan loop umpan balik dari aliran gas dan aliran masuk. Selain mendaur ulang bahan untuk membentuk bintang-bintang baru, arus keluar juga terbukti mengubah struktur galaksi mereka. Gas-gas daur ulang mempercepat transformasi galaksi menjadi cakram berputar tipis.
Terlepas dari temuan awal ini, tim masih jauh dari selesai membedah model mereka. Mereka juga berencana untuk merilis semua data simulasi secara publik untuk para astronom di seluruh dunia untuk mempelajari kosmos virtual mereka.
"Ada jalan besar di depan kita sekarang setelah simulasi ini selesai," kata Torrey. "Seluruh tim peneliti bekerja untuk lebih memahami sifat-sifat terperinci dari galaksi-galaksi yang terbentuk dan tren apa yang muncul dalam data itu."
