IllustrisTNG, il modello di universo più avanzato mai realizzato

 Il progetto IllustrisTNG è una suite di simulazioni di formazione di galassie cosmologiche state-of-the-art. Ogni simulazione in IllustrisTNG si evolve in un vasto universo di un universo finto subito dopo il Big-Bang fino ai giorni nostri, tenendo conto di una vasta gamma di processi fisici che guidano la formazione delle galassie. Le simulazioni possono essere utilizzate per studiare una vasta gamma di argomenti che riguardano il modo in cui l’Universo – e le galassie al suo interno – si sono evolute nel tempo.

Motivazione e grandi idee

Il modello standard della cosmologia postula che la densità di energia di massa dell’Universo è dominata da forme sconosciute di materia oscura ed energia oscura. Il test di questo straordinario scenario richiede previsioni precise per la formazione della struttura nella materia visibile, che è direttamente osservabile come stelle, gas diffuso e fori neri. Queste componenti della materia visibile sono organizzate in un “Web cosmico” di fogli, filamenti e vuoti, all’interno del quale sono incorporate le unità di base della struttura cosmica – le galassie. Per testare le nostre attuali idee sulla formazione e l’evoluzione delle galassie, ci sforziamo di creare galassie simulate il più dettagliate e realistiche possibili e confrontarle con le galassie osservate nell’universo reale. Sondando i nostri successi e insuccessi, 

Panoramica del progetto IllustrisTNG

Il progetto IllustrisTNG consiste in 18 simulazioni in totale. Le singole simulazioni variano nelle dimensioni fisiche, nella risoluzione di massa e nella complessità della fisica inclusa. Sono utilizzate tre dimensioni fisiche della scatola di simulazione: volumi cubici di circa 50, 100 e 300 Mpc di lunghezza laterale, che noi chiamiamo rispettivamente TNG50, TNG100 e TNG300. Le tre caselle si completano a vicenda promuovendo un focus su vari aspetti della formazione delle galassie. L’ampio volume fisico associato alla più grande scatola di simulazione (TNG300) consente lo studio del clustering di galassie, l’analisi di oggetti rari come i cluster di galassie e fornisce il più grande campione di galassia. Al contrario, mentre la simulazione del volume fisico più piccola della simulazione di TNG50 ha un campionamento relativamente limitato di oggetti rari, la risoluzione di massa ottenuta nelle simulazioni di volume ridotto è alcune centinaia di volte superiore rispetto alla simulazione del volume TNG300. Il volume TNG50 consente quindi di esaminare in modo più dettagliato, ad esempio, le proprietà strutturali delle galassie, la struttura dettagliata del gas attorno alle galassie e la convergenza del nostro modello fisico. La simulazione del volume centrale, TNG100, rientra tra questi due limiti. È importante sottolineare che il volume TNG100 utilizza le stesse condizioni iniziali (adattate per la cosmologia aggiornata) utilizzate nella simulazione originale di Illustris, che fornisce un confronto pulito tra i risultati originali di Illustris e il modello TNG aggiornato. e la convergenza del nostro modello fisico. La simulazione del volume centrale, TNG100, rientra tra questi due limiti. È importante sottolineare che il volume TNG100 utilizza le stesse condizioni iniziali (adattate per la cosmologia aggiornata) utilizzate nella simulazione originale di Illustris, che fornisce un confronto pulito tra i risultati originali di Illustris e il modello TNG aggiornato. e la convergenza del nostro modello fisico. La simulazione del volume centrale, TNG100, rientra tra questi due limiti. È importante sottolineare che il volume TNG100 utilizza le stesse condizioni iniziali (adattate per la cosmologia aggiornata) utilizzate nella simulazione originale di Illustris, che fornisce un confronto pulito tra i risultati originali di Illustris e il modello TNG aggiornato.Ciascuna delle tre caselle di simulazione è stata eseguita a tre livelli di risoluzione. Le simulazioni di massima risoluzione impiegano oltre 20, 10 e 30 miliardi di elementi di risoluzione rispettivamente per le scatole TNG50, TNG100 e TNG300. Questo porta a barioni e risoluzioni di massa della materia oscura, come mostrato nella tabella sopra. Campionare attraverso diversi livelli di risoluzione all’interno delle stesse simulazioni fisiche consente una chiara analisi della dipendenza dalla risoluzione dei nostri risultati. Noi impieghiamo un modello fisico che è stato costruito deliberatamente per non richiedere la sintonizzazione dei parametri poiché la risoluzione della simulazione è variata. Quindi, mentre la risoluzione di massa tra la corsa TNG50 più alta e la corsa TNG300 più bassa è separata da un fattore di oltre 10.000, i parametri utilizzati nel modello rimangono invariati. Il confronto dei risultati a diversi livelli di risoluzione aiuta a valutare le prestazioni e valutare il potere predittivo del nostro modello. Mentre i dettagli di determinati risultati, come le masse stellari della galassia, cambiano con il livello di risoluzione, la maggior parte dei risultati cambia in modi prevedibili e comprensibili che ci permettono di comprendere e correggere la risoluzione finita delle nostre simulazioni.Infine, tutte le simulazioni hanno controparti “solo materia oscura” della loro “fisica barionica”, le corse appena descritte. Le simulazioni della materia oscura forniscono previsioni su come la struttura su larga scala, il raggruppamento di galassie, le forme degli aloni e così via si evolveranno in un universo costruito solo di materia oscura. Queste previsioni sono utili in parte perché sono relativamente pulite, a causa della loro esclusiva dipendenza dall’assemblea gravitazionale degli aloni della materia oscura. Tuttavia, allo stesso tempo, tali modelli trascurano completamente l’importante, ma incerto, impatto dei barioni sulla crescita delle galassie. Avere solo una materia oscura affiancata e simulazioni fisiche complete ci consente di confrontare e comprendere direttamente l’impatto che la fisica dei barioni ha su una vasta gamma di risultati.

In che modo TNG si collega alla simulazione originale di Illustris?

Il progetto IllustrisTNG è il successore della simulazione di Illustris. Utilizza un modello di formazione della galassia aggiornato di “prossima generazione” che include sia la nuova fisica che i perfezionamenti al modello originale di Illustris. Lo sforzo di TNG è una campagna di simulazione che:

• (i) mantiene l’approccio fondamentale e il sapore del modello fisico di Illustris,
• (ii) allevia molte carenze del modello Illustris rispetto alle osservazioni di riferimento, e
• (iii) amplia notevolmente l’ambito di applicazione con simulazioni di volumi più grandi, a risoluzione più elevata e con nuova fisica.

Come in Illustris, seguiamo la dinamica accoppiata di DM e gas con il codice quasi-lagrangiano robusto, preciso ed efficiente AREPO. In questo approccio, una tassellatura Voronoi non strutturata del volume di simulazione consente la discretizzazione spaziale dinamica e adattativa, in cui un insieme di punti di generazione di mesh viene spostato insieme al flusso di gas. Questa maglia è usata per risolvere le equazioni della magnetoidrodinamica ideale (MHD) usando un sistema del secondo ordine, del volume finito, di tipo Godunov direzionalmente non suddiviso. La forza gravitazionale viene calcolata con un approccio Albero-PM diviso, in cui le forze a lungo raggio vengono calcolate da un metodo a maglie particellari e le forze a corto raggio vengono calcolate con un algoritmo a otto gradi gerarchici. Lo schema è quasi-lagrangiano, secondo ordine nello spazio e nel tempo, utilizza il timestamp delle singole particelle ed è stato progettato per eseguire in modo efficiente grandi dimensioni,Oltre a questo quadro numerico, il modello di formazione della galassia di TNG include i principali processi fisici necessari per studiare la formazione e l’evoluzione delle galassie:

• Meccanismi di radiazione del gas microfisici, compresi il raffreddamento e il riscaldamento primordiali e in metallo con un campo di radiazione di fondo in evoluzione.
• Formazione di stelle nel mezzo interstellare denso.
• Evoluzione demografica stellare e arricchimento chimico in seguito alle stelle delle supernove Ia, II e AGB, elementi di tracciamento individuale: H, He, C, N, O, Ne, Mg, Si e Fe.
• Uscite da scala galattica guidate da feedback stellari.
• La formazione, la fusione e l’accrescimento del gas nelle vicinanze da buchi neri supermassicci.
• Retroazione multi-modalità del blackhole che opera in modalità termica “quasar” ad alti stati di accrescimento e una modalità cinetica “a vento” in condizioni di basso accrescimento.
• L’amplificazione dei campi magnetici cosmici da un minuto campo di semi primordiali nei primi tempi.

Obiettivi scientifici

L’obiettivo di costruire una suite di simulazione così ampia e ambiziosa è fare luce sui processi fisici che guidano la formazione delle galassie, capire quando, perché e come le galassie si evolvono nelle strutture osservate nel cielo notturno e fare previsioni per i programmi di osservazione attuali e futuri per ampliare e approfondire la nostra comprensione della formazione delle galassie. Questi obiettivi vengono raggiunti non in un singolo passaggio, ma piuttosto attraverso una serie di analisi estese delle simulazioni, ciascuna delle quali si rivolge a specifiche domande scientifiche. Alcune delle prime domande che sono state specificamente affrontate usando la suite TNG stanno caratterizzando le masse stellari, i colori e le dimensioni delle galassie, comprendendo l’origine fisica della distribuzione di elementi pesanti (metallcity) in galassie e ammassi di galassie, disegnare connessioni tra la presenza di campi magnetici dinamicamente importanti e l’emissione radio osservata dalle galassie e il segnale di raggruppamento di galassie e materia su grandi scale. Si prevede che studi successivi possano esplorare una gamma ancora più ampia di argomenti.La potenza principale delle suite di simulazione – come TNG – è che la profondità delle informazioni sulla simulazione è molto più profonda di quella accessibile solo da un punto di vista dell’osservazione. Ad esempio, una delle caratteristiche più importanti delle simulazioni è il loro accesso al dominio del tempo. Mentre le osservazioni delle galassie possono essere effettuate a diversi redshift per fornire dati di censimento sulle popolazioni di galassie a diversi stadi della loro evoluzione, il lasso di tempo su cui si evolvono le galassie (milioni o anche più anni) è semplicemente troppo lungo per essere seguito direttamente in osservazione. Invece, nelle osservazioni, sono necessarie ipotesi audaci per dedurre come i dati del censimento nelle diverse epoche osservative conducano a un’immagine fisica dell’evoluzione della galassia. In netto contrasto, le popolazioni di galassie simulate nella suite TNG possono essere tracciate direttamente nel tempo in modo da poter ricostruire un quadro chiaro e inequivocabile della loro storia evolutiva. Ciò facilita, ad esempio, previsioni chiare per l’evoluzione delle dimensioni delle galassie, che sarebbe difficile ottenere direttamente in osservazione. L’utilizzo dell’accesso naturale della simulazione al dominio del tempo può aiutare a guidare gli sforzi di osservazione per individuare le tendenze evolutive fisiche all’interno dei loro dati osservazionali a più epoche.Oltre al dominio del tempo, le simulazioni forniscono anche previsioni inequivocabili per le quantità fisiche che potrebbero essere difficili da ricavare osservativamente. Ad esempio, le misure osservazionali della fase gassosa o della metallizzazione stellare sono quantità derivate complicate che derivano dal montaggio della distribuzione di energia spettrale (SED) o dal raccordo di emissione della linea. Nonostante lo sforzo significativo sia stato posto nel perfezionamento di queste procedure di misurazione al più alto livello possibile di accuratezza, un’incertezza sistematica significativa circonda ancora i metodi di misurazione osservativi. Al contrario, le simulazioni TNG fanno previsioni chiare e dirette per queste quantità.Le simulazioni del TNG possono quindi essere utilizzate in modi concreti per costruire modelli fisici di formazione delle galassie e per aiutare nell’interpretazione fisica dei dati osservativi. La conoscenza diretta della simulazione può essere utilizzata per dettagliare la forma dei profili stellari della galassia, esaminare l’evoluzione cromatica delle galassie o persino caratterizzare l’evoluzione del segnale di oscillazione acustica del barione nei dati del clustering di galassie. L’obiettivo principale del progetto TNG è quello di creare un ampio strumento che generi ulteriore comprensione della formazione delle galassie sia attraverso l’analisi diretta della simulazione, sia attraverso una maggiore comprensione dei dati osservativi.