Des scientifiques d'Allemagne et des États-Unis ont dévoilé les résultats d'une étude récemment achevée, simulation de pointe de l'évolution des galaxies. TNG50 est la simulation cosmologique à grande échelle la plus détaillée à ce jour. Il permet aux chercheurs d'étudier en détail comment se forment les galaxies, et comment ils ont évolué depuis peu de temps après le Big Bang. Pour la première fois, il révèle que la géométrie des flux de gaz cosmique autour des galaxies détermine les structures des galaxies, et vice versa. Les chercheurs publient leurs résultats dans deux articles de la revue Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .

Les astronomes exécutant des simulations cosmologiques sont confrontés à un compromis fondamental :avec une puissance de calcul finie, les simulations typiques jusqu'à présent ont été soit très détaillées, soit ont couvert un grand volume d'espace virtuel, mais n'ont jusqu'à présent pas été en mesure de faire les deux. Des simulations détaillées avec des volumes limités ne peuvent modéliser que quelques galaxies, rendant les déductions statistiques difficiles. Simulations de gros volumes, à son tour, manquent généralement des détails nécessaires pour reproduire bon nombre des propriétés à petite échelle que nous observons dans notre propre univers, réduisant leur pouvoir prédictif.

La simulation TNG50, qui vient de paraître, parvient à éviter ce compromis. Pour la première fois, il combine l'idée d'une simulation cosmologique à grande échelle - un Univers dans une boîte - avec la résolution informatique des simulations "zoom", à un niveau de détail qui n'était auparavant possible que pour des études de galaxies individuelles.

Dans un cube d'espace simulé de plus de 230 millions d'années-lumière de diamètre, TNG50 peut discerner des phénomènes physiques qui se produisent à des échelles un million de fois plus petites, retraçant l'évolution simultanée de milliers de galaxies sur 13,8 milliards d'années d'histoire cosmique. Il le fait avec plus de 20 milliards de particules représentant la matière noire (invisible), étoiles, gaz cosmique, champs magnétiques, et des trous noirs supermassifs. Le calcul lui-même nécessitait 16, 000 cœurs sur le supercalculateur Hazel Hen à Stuttgart, travailler ensemble, 24/7, pendant plus d'un an, soit l'équivalent de quinze mille ans sur un seul processeur, ce qui en fait l'un des calculs astrophysiques les plus exigeants à ce jour.

Les premiers résultats scientifiques de TNG50 sont publiés par une équipe dirigée par le Dr Annalisa Pillepich (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg) et le Dr Dylan Nelson (Institut Max Planck d'Astrophysique, Garching) et révèlent des phénomènes physiques imprévus. Selon Nelson :« Les expériences numériques de ce type sont particulièrement réussies lorsque vous en sortez plus que vous n'en mettez. Dans notre simulation, nous voyons des phénomènes qui n'avaient pas été programmés explicitement dans le code de simulation. Ces phénomènes apparaissent de façon naturelle, de l'interaction complexe des ingrédients physiques de base de notre univers modèle."

TNG50 présente deux exemples marquants de ce type de comportement émergent. Le premier concerne la formation de galaxies "à disques" comme notre propre Voie Lactée. En utilisant la simulation comme une machine à remonter le temps pour remonter l'évolution de la structure cosmique, les chercheurs ont vu comment le bien ordonné, des galaxies à disques en rotation rapide (qui sont courantes dans notre Univers proche) émergent du chaos, désorganisé, et des nuages ​​de gaz très turbulents à des époques antérieures.

Au fur et à mesure que le gaz se calme, les étoiles nouveau-nées se trouvent généralement sur des orbites de plus en plus circulaires, formant finalement de grandes galaxies spirales, des carrousels galactiques. Annalisa Pillepich explique :« En pratique, TNG50 montre que notre propre galaxie de la Voie Lactée avec son disque mince est au sommet de la mode galactique :au cours des 10 derniers milliards d'années, au moins ces galaxies qui forment encore de nouvelles étoiles sont devenues de plus en plus semblables à des disques, et leurs mouvements internes chaotiques ont considérablement diminué. L'Univers était beaucoup plus désordonné quand il n'avait que quelques milliards d'années !"

Au fur et à mesure que ces galaxies s'aplatissent, les chercheurs ont découvert un autre phénomène émergent, impliquant les sorties à grande vitesse et les vents de gaz sortant des galaxies. Celui-ci a été lancé à la suite des explosions d'étoiles massives (supernovae) et de l'activité des trous noirs supermassifs trouvés au cœur des galaxies. Les écoulements gazeux galactiques sont initialement aussi chaotiques et s'écoulent dans toutes les directions, mais avec le temps, ils commencent à se concentrer davantage sur un chemin de moindre résistance.

Dans l'univers tardif, les flux sortant des galaxies prennent la forme de deux cônes, émergeant dans des directions opposées, comme deux cornets de crème glacée placés bout à bout, avec la galaxie tourbillonnant au centre. Ces flux de matière ralentissent alors qu'ils tentent de quitter le puits gravitationnel du halo de matière invisible ou noire de la galaxie, et peut éventuellement caler et retomber, formant une fontaine galactique de gaz recyclé. Ce processus redistribue le gaz du centre d'une galaxie à sa périphérie, accélérant encore la transformation de la galaxie elle-même en un disque mince :la structure galactique façonne les fontaines galactiques, et vice versa.

L'équipe de scientifiques créant TNG50 (basée aux instituts Max-Planck de Garching et Heidelberg, Université de Harvard, MIT, et le Center for Computational Astrophysics (CCA)) publiera à terme toutes les données de simulation à l'ensemble de la communauté astronomique, ainsi qu'au public. Cela permettra aux astronomes du monde entier de faire leurs propres découvertes dans l'univers TNG50 et éventuellement de trouver des exemples supplémentaires de phénomènes cosmiques émergents, de l'ordre émergeant du chaos.