Les premiers résultats du projet IllustrisTNG ont été publiés dans trois études distinctes, et ils apportent un éclairage nouveau sur la façon dont les trous noirs façonnent le cosmos et sur la formation et la croissance des galaxies. Le projet IllustrisTNG se présente comme «la prochaine génération de simulations hydrodynamiques cosmologiques». Le projet est une série continue de simulations hydrodynamiques massives de notre univers. Son objectif est de comprendre les processus physiques qui conduisent à la formation des galaxies.
Au cœur d'IllustriousTNG se trouve un modèle numérique de pointe de l'Univers, fonctionnant sur l'un des supercalculateurs les plus puissants au monde: la machine Hazel Hen au High-Performance Computing Center de Stuttgart, en Allemagne. Hazel Hen est l'ordinateur le plus rapide d'Allemagne et le 19e au monde.
Notre modèle cosmologique actuel suggère que la densité de masse-énergie de l'Univers est dominée par la matière noire et l'énergie noire. Étant donné que nous ne pouvons observer aucune de ces choses, la seule façon de tester ce modèle est de pouvoir faire des prédictions précises sur la structure des choses que nous pouvons voir, telles que les étoiles, le gaz diffus et les trous noirs encreurs. Ces choses visibles sont organisées en un réseau cosmique de feuilles, de filaments et de vides. À l'intérieur de celles-ci se trouvent des galaxies, qui sont les unités de base de la structure cosmique. Pour tester nos idées sur la structure galactique, nous devons créer des galaxies simulées détaillées et réalistes, puis les comparer à ce qui est réel.
Aux États-Unis et en Allemagne, des astrophysiciens ont utilisé IllustrisTNG pour créer leur propre univers, qui pourrait ensuite être étudié en détail. IllustrisTNG est très fortement corrélé aux observations de l'Univers réel, mais permet aux scientifiques de regarder des choses qui sont obscurcies dans notre propre Univers. Cela a conduit jusqu'à présent à des résultats très intéressants et contribue à répondre à de grandes questions en cosmologie et en astrophysique.
Depuis que nous avons appris que les galaxies hébergent des trous noirs supermassifs (SMBH) dans leurs centres, il est largement admis qu’elles ont une influence profonde sur l’évolution des galaxies, et peut-être sur leur formation. Cela conduit à la question évidente: comment ces SMBH influencent-elles les galaxies qui les hébergent? Illustrious TNG a tenté de répondre à cette question, et l'article du Dr Dylan Nelson du Max Planck Institute for Astrophysics montre que «le principal moteur de la transition de couleur des galaxies est la rétroaction du trou noir supermassive dans son état de faible accrétion».
"La seule entité physique capable d'éteindre la formation d'étoiles dans nos grandes galaxies elliptiques sont les trous noirs supermassifs en leur centre." - Dr Dylan Nelson, Institut Max Planck d'astrophysique,
Les galaxies qui sont encore dans leur phase de formation d'étoiles brillent brillamment dans la lumière bleue de leurs jeunes étoiles. Puis quelque chose change et la formation d'étoiles se termine. Après cela, la galaxie est dominée par des étoiles rouges plus anciennes, et la galaxie rejoint un cimetière plein de galaxies "rouges et mortes". Comme l'explique Nelson, «La seule entité physique capable d'éteindre la formation d'étoiles dans nos grandes galaxies elliptiques sont les trous noirs supermassifs en leur centre.» Mais comment font-ils cela?
Nelson et ses collègues l'attribuent à la rétroaction supermassive du trou noir dans son état de faible accrétion. Cela signifie que lorsqu'un trou noir se nourrit, il crée un vent, ou une onde de choc, qui souffle du gaz et de la poussière formant des étoiles hors de la galaxie. Cela limite la future formation d'étoiles. Les étoiles existantes vieillissent et deviennent rouges, et peu de nouvelles étoiles bleues se forment.
On pense depuis longtemps que de grandes galaxies se forment lorsque de plus petites galaxies se rejoignent. À mesure que la galaxie s'agrandit, sa gravité attire plus de galaxies plus petites. Lors de ces collisions, les galaxies se déchirent. Certaines étoiles seront dispersées et s'installeront dans un halo autour de la nouvelle galaxie plus grande. Cela devrait donner à la galaxie nouvellement créée une faible lueur de fond de lumière stellaire. Mais c'est une prédiction, et ces lueurs pâles sont très difficiles à observer.
«Nos prévisions peuvent désormais être systématiquement vérifiées par des observateurs.» - Dre Annalisa Pillepich (Institut Max Planck d'astrophysique)
IllustrisTNG a pu prédire plus précisément à quoi devrait ressembler cette lueur. Cela donne aux astronomes une meilleure idée de ce qu'il faut rechercher lorsqu'ils essaient d'observer cette lueur stellaire pâle dans le véritable univers. «Nos prévisions peuvent désormais être systématiquement vérifiées par des observateurs», souligne la Dre Annalisa Pillepich (MPIA), qui a dirigé une autre étude IllustrisTNG. "Cela donne un test critique pour le modèle théorique de la formation hiérarchique des galaxies."
IllustrisTNG est une série de simulations en cours. Jusqu'à présent, il y a eu trois exécutions IllustrisTNG, chacune créant une simulation plus grande que la précédente. Ils sont TNG 50, TNG 100 et TNG 300. TNG300 est beaucoup plus grand que TNG50 et permet d'étudier une zone plus grande qui révèle des indices sur la structure à grande échelle. Bien que le TNG50 soit beaucoup plus petit, il a des détails beaucoup plus précis. Il nous donne un aperçu plus détaillé des propriétés structurelles des galaxies et de la structure détaillée du gaz autour des galaxies. TNG100 est quelque part au milieu.
IllustrisTNG n'est pas la première simulation hydrodynamique cosmologique. D’autres incluent Eagle, Horizon-AGN et le prédécesseur d’IllustrisTNG, Illustris. Ils ont montré la puissance de ces modèles théoriques prédictifs. À mesure que nos ordinateurs deviennent plus puissants et que notre compréhension de la physique et de la cosmologie grandit avec eux, ces types de simulations produiront des résultats plus grands et plus détaillés.
