皇家天文學會公布：迄今為止最詳細的大規模宇宙演化模擬！

2020-10-18 博科園

科學家們現在公布了一項新完成且最先進的星系演化模擬結果，TNG50是迄今為止最詳細的大規模宇宙演化模擬，這個模擬使研究人員能夠詳細研究星系是如何形成的，以及自大爆炸後不久以來星系是如何演化的。第一次揭示了圍繞星系的宇宙氣體流動幾何形狀決定了星繫結構，反之亦然，其研究結果發表在《皇家天文學會月刊》上。運行宇宙學模擬的天文學家面臨著一個基本權衡：由於計算能力有限，到目前為止，典型的模擬要麼非常詳細，要麼跨越了大量的虛擬空間，但到目前為止還不能同時做到這兩點。

有限體積的詳細模擬只能模擬幾個星系，使得統計推斷很困難。反過來，大規模模擬通常缺乏必要細節來再現在宇宙中觀察到的許多小尺度屬性，而降低了預測能力。新發布的TNG50模擬設法避免了這種權衡，這是它第一次將大規模宇宙學模擬（盒子中的宇宙）與「縮放」模擬的計算解析度結合在一起，其細節水平以前只有單個星系的研究才有可能實現。在一個直徑超過2.3億光年的模擬空間立方體中，TNG50可以識別發生在100萬倍尺度上的物理現象，追蹤數千個星系在138億年宇宙史上的同步演化。

通過模擬物質、恆星、宇宙氣體、磁場和超大質量黑洞的200億多個粒子做到了這一點，這個計算本身需要斯圖加特Hazel Hen超級計算機上的16000個內核，協同工作一年多，相當於在一個處理器上工作一萬五千年，使其成為迄今為止要求最高的天體物理計算之一。TNG50的第一批科學結果由Annalisa Pillepich博士(Max Planck Institute for Astronomy，Heidelberg)和Dylan Nelson博士(Max Planck Institute for AstroPhysical，Garching)領導的團隊發表，揭示了不可預見的物理現象。

當輸出比輸入更多的時候，這種數值實驗尤其成功，在模擬中，看到了沒有明確編程到模擬代碼中的現象。這些現象以自然的方式出現，來自模型宇宙基本物理成分的複雜相互作用。TNG50的特點是這種有兩個突出的例子，第一個是關於「圓盤」星系的形成，就像銀河系。使用模擬作為一臺時間機器來倒退宇宙結構的演變，研究人員已經看到了有序、快速旋轉的圓盤星系是如何在更早的時期從混亂、混亂和高度動蕩的氣體雲中出現。隨著氣體穩定下來，新生恆星通常會出現在越來越多的圓形軌道上，最終形成大型螺旋星系--星系傳送帶。

TNG50表明銀河系及其薄盤處於星系發展的巔峰：在過去100億年中，至少那些仍在形成新恆星的星系已經變得越來越圓盤狀，它們的混亂內部運動已經大大減少，宇宙在幾十億歲的時候就更混亂了！隨著這些星系逐漸變平，研究人員發現了另一種新興現象，涉及到高速的氣體外流和星系外氣流。這是由大質量恆星(超新星)的爆炸和位於星系中心超大質量黑洞的活動所引起。銀河氣體流出最初也是混亂的，向各個方向流動，但隨著時間的推移，它們開始沿著阻力最小的路徑變得更加集中。

在宇宙晚期，從星系流出的物質以兩種球果的形式出現，它們以相反的方向出現——就像把兩個冰淇淋球果首尾相連，星系在中心打轉。當這些物質試圖離開銀河系不可見或暗物質光環的引力阱時，它們的流動速度會減慢，最終會停止並後退，形成一個循環氣體的星系噴泉。這一過程將氣體從星系中心重新分配到其外圍，進一步加速了星系自身向薄圓盤的轉變：星繫結構塑造了星系噴泉，反之亦然。創建TNG50的科學家團隊（位於加興和海德堡的馬普研究所、哈佛大學、麻省理工學院和計算天體物理中心(CCA)）將最終向整個天文學社區和公眾發布所有的模擬數據。

博科園｜研究/來自：英國皇家天文學會

參考期刊《皇家天文學會月刊》

DOI: 10.1093/mnras/stz2338

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