超級計算機創造了數以百萬計的虛擬宇宙來了解星系的進化

2021-01-11 天文在線

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像我們的銀河系這樣的星系是如何形成的？它們是如何隨著時間發展和變化的？幾十年來，星系形成背後的科學一直是個謎，但是亞利桑那大學(UA)領導的一組科學家藉助超級計算機模擬使答案又近了一步。

因為在太空中觀測真實的星系只能提供快照，所以想要研究星系在數十億年間是如何演變的話，研究人員不得不重新使用計算機模擬。傳統上，天文學家使用這種方法一個接一個地發明和檢驗星系形成的新理論。UA Steward天文臺的助理教授Peter Behroozi和他的團隊克服了這個障礙，他們在一臺超級計算機上創造了數百萬個不同的宇宙，每個宇宙都遵循星系如何形成的不同物理理論。

這些發現發表在《皇家天文學會月報》上，對暗物質在星系形成、星系如何隨時間演化以及它們如何產生恆星等基本概念提出了挑戰。

該研究的主要作者Behroozi說：「在電腦上，我們可以創建許多不同的宇宙，並將它們與實際的宇宙進行比較，這讓我們推斷出哪些規則導致了我們看到的那個宇宙。」

這項研究第一次創建自洽的宇宙，是確切的複製品：計算機模擬.每個代表實際宇宙的很大一部分，包含1200萬個星系，跨越時間從大爆炸後4億年到現在的一天。

每一個「前機械姬」宇宙都經過了一系列測試，以評估在生成宇宙和真實宇宙中出現的相似星系。與我們的宇宙最相似的宇宙都有相似的基本物理規則，這為研究星系形成提供了一種強大的新方法。

來自「宇宙機器」(作者稱他們的方法為「宇宙機器」)的結果幫助解決了一個長期存在的悖論：為什麼星系即使保留了大量的氫氣，也不再形成新恆星，而氫氣是形成恆星的原材料。

關於星系如何形成恆星的普遍觀點涉及到一種複雜的相互作用，即冷氣體在引力作用下坍縮成稠密的口袋，從而形成恆星，而其他過程則抵消了恆星的形成。

例如，人們認為大多數星系的中心都有超大質量的黑洞。落入這些黑洞的物質輻射出巨大的能量，就像宇宙的噴燈一樣，阻止氣體冷卻到足以坍縮成恆星的溫床。同樣，恆星在超新星爆炸中結束了自己的生命，也促成了這一過程。暗物質也扮演著重要的角色，因為它提供了大部分作用於星系中可見物質的引力，從星系周圍吸引冷氣體並在這個過程中加熱它。

「隨著我們回到宇宙的時間越來越早，我們預計暗物質的密度會越來越大，因此氣體會越來越熱。這對恆星的形成是不利的，所以我們認為在早期宇宙中的許多星系應該在很久以前就停止了恆星的形成。」Behroozi說。「但我們的發現正好相反：與預期相反，給定大小的星系更有可能以更高的速率形成恆星。」

Behroozi解釋說，為了與實際星系的觀測結果相匹配，他的團隊必須創建一個與實際情況相反的虛擬宇宙——在這些宇宙中，星系持續產生恆星的時間要長得多。

另一方面，如果研究人員根據當前的星系形成理論創造了星系——星系在早期停止形成恆星——那麼這些星系看起來比我們在天空中看到的星系要紅得多。

星系呈現紅色有兩個原因。第一個現象在自然界中很明顯，它與星系的年齡有關——如果它在宇宙的歷史中形成得更早，它就會移動得更快，將光線轉移到紅色光譜中。天文學家稱之為紅移效應。另一個原因是內在的：如果一個星系停止了恆星的形成，它包含的藍色恆星就會更少，而藍色恆星通常會更早地消失，只剩下更老、更紅的恆星。

Behroozi說：「但我們沒有看到這種情況。」「如果星系的行為和我們想像的一樣，更早停止形成恆星，我們實際的宇宙就會完全錯了顏色。換句話說，我們不得不得出結論，星系在早期形成恆星的效率比我們想像的要高。而這告訴我們的是，超大質量黑洞和爆炸恆星所產生的能量在抑制恆星形成方面沒有我們理論預測的那麼有效。」

根據Behroozi的說法，創建空前複雜的模擬宇宙需要一種全新的方法，這種方法不受計算能力和內存的限制，而且還提供了足夠的解析度，能夠將尺度從「小」(如超新星等單個物體)擴展到可觀測宇宙中相當大的一塊。

「模擬單個星系需要10到48次計算操作，」他解釋說。地球上所有的計算機加起來也不能在一百年內做到這一點。所以僅僅模擬一個星系，更不用說1200萬個星系了，我們必須用不同的方式來做。」

除了利用美國加州NASA艾姆斯研究中心和德國加興leibnz - rechenzentrum的計算資源，該團隊還使用了UA高性能計算集群的「Ocelote」超級計算機。2000個處理器在三個星期內同時處理這些數據。在研究過程中，Behroozi和他的同事們創造了超過800萬個宇宙。

Behroozi解釋說：「我們用了過去20年的天文觀測，並將它們與我們生成的數百萬個模擬宇宙進行了比較。」「我們將數千條信息拼湊在一起，看看哪些是匹配的。我們創造的宇宙看起來對嗎？如果沒有，我們就回去做修改，再檢查一次。」

為了進一步了解星系是如何形成的，Behroozi和他的同事計劃將宇宙機器擴展到包括單個星系的形態以及它們的形狀如何隨時間演變。

作者：spaceanswers

FY:橡皮倪

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