本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
自20世紀中期以來，科學家們對宇宙形成的過程基本有了一定的了解。宇宙膨脹和宇宙微波背景(CMB)的發現給大爆炸理論增加了可信性，而宇宙膨脹的加速導致了關於暗能量的理論形成。儘管如此，關於早期宇宙還有很多科學家不知道的東西，這就要求他們必須依靠關於一些對宇宙演化的模擬進行推演計算。
但是我們知道，想要進行一些對宇宙演化模擬需要非常龐大的規模，如果你只是推演宇宙的短暫時期，那麼你可以在這部分時期進行詳細地推演，這意味著你完全推演到宇宙誕生到現在的全過程。總的來說，計算的局限性意味著模擬要麼是大規模的，要麼是詳細的，以目前的科學技術我們很難做到可以模擬一個大規模的詳細宇宙。然而，一組來自德國和美國的科學家最近完成了迄今為止最詳細的大規模宇宙模擬。時間跨度創造了迄今為止人類推演宇宙的最高紀錄：137億年，即從宇宙大爆炸開始到現在。
TNG50模擬
據了解，這種先進的模擬技術被稱為TNG50，它可以幫助研究人員研究宇宙是如何在細節和大尺度上進化的關鍵過程。TNG50是來自IllustrisTNG製作的最新的模擬，IllustrisTNG是一個正在進行的項目，主要目的是創建大型的宇宙星系形成模擬。它非常具有開創性，避免了同時將規模和細節做到兩者兼顧。簡而言之，TNG50成功地將詳細的模擬以及大規模宇宙進化的統計成功結合在了一起。TNG50是第一個這種類型的模擬，開創了人類宇宙模擬的新時代！
那麼創造這項模擬的功臣是誰呢？據悉，該模擬是由斯圖加特的Hazel Hen超級計算機實現的，該計算機集成了16000個核連續不眠不休工作了一年多創造出了這項史無前例的模擬巨作，同時這是迄今為止時間最長、資源最密集的模擬。這個模擬系統由一個直徑超過2.3億光年的立方體組成，其中包含超過200億個粒子，代表暗物質、恆星、宇宙氣體、磁場和超大質量黑洞。TNG50還可以分辨出發生在整個體積百萬分之一(即230光年)範圍內的物理現象。這使得模擬可以追蹤在138億年的宇宙歷史中數千個星系的同步演化。同時科學家表示，在他們的模擬中，所觀測到的現象沒有被明確地編入模擬代碼，也就是說這些現象以一種自然的方式出現，完全是來自模型世界中的基本物理成分的複雜相互作用而自然形成。
這幅圖展示了宇宙的演變，從左邊的大爆炸到右邊的現代。
此外，TNG50是第一個對星系演化中起關鍵作用的兩種階段的模擬，從大爆炸看到了現在。第一個階段是宇宙誕生，萬物初始，有序、快速旋轉的圓盤星系(如銀河系)從最初混亂的氣體雲中浮現出來。隨著這些氣體的沉降，新生的恆星逐漸開始環繞並趨向圓形，最終演變成大型螺旋星系。
第二個階段是，當星系趨於穩定時，一些高速的氣體風從星系中流出。這是由超新星爆炸和模擬星系中心的超大質量黑洞活動所驅動的。雖然這個過程一開始是混亂的，氣體向各個方向流動，但最終它們趨於穩定。
換句話說，這個模擬是第一次向人類展示了宇宙氣體在星系周圍流動的幾何形狀是如何決定它們的結構的奧秘。這項重大研究成果讓相關科學家獲得了2019年金穗獎，該獎項由德國斯圖加特的高性能計算機中心頒發給國際研究界的成員。最關鍵的相關科學家將最終把TNG50的模擬數據發布給天文界和公眾。來自世界各地的天文學家和普通科學家從模擬中做出他們自己的發現，甚至解決一些長久以來困擾人類的宇宙奧秘。