“宇宙機器”模擬超過800萬種宇宙，只為揭示星系的演化！

2019-09-27 10:42 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

像銀河系這樣的星系如何形成？這些星系如何隨著時間的推移而成長和改變？星系形成背后的科學原理幾十年來一直是個謎，但現(xiàn)在亞利桑那大學領(lǐng)導的一個科學家團隊通過超級計算機模擬離找到答案又近了一步。

在太空中觀察真實的星系只能提供時間上的快照，因此想要研究星系在數(shù)十億年里是如何演化的，科學家們不得不求助于計算機模擬。

天文學家用這種方法一個接一個地發(fā)明和測試星系形成的新理論。UA Steward天文臺助理教授Peter Behroozi和研究團隊克服了這個障礙，在一臺超級計算機上生成了數(shù)百萬個不同的宇宙，每個宇宙都遵循不同的物理理論來解釋星系應(yīng)該如何形成。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《皇家天文學會月刊》上，挑戰(zhàn)了暗物質(zhì)在星系形成、星系如何隨時間演化以及恒星如何誕生等方面所起作用的基本觀點。

這項研究的主要作者貝魯奇(Behroozi)說：在計算機上，可以創(chuàng)建許多不同的宇宙，并將模擬宇宙與實際宇宙進行比較，這可以推斷出哪些定律成就了我們今天所看到的真實宇宙。這項研究是第一個創(chuàng)造出自我一致的宇宙研究，這些模擬宇宙都是真實宇宙的精確復制品：計算機模擬每一個都代表了真實宇宙相當大的一部分，包含1200萬個星系，時間跨度從宇宙大爆炸后的4億年到今天。每個模擬宇宙都經(jīng)過一系列測試，以評估在模擬宇宙中，與真實宇宙相比，類似的星系如何出現(xiàn)。

與宇宙最相似的模擬宇宙都有著相似基本物理規(guī)律，這為研究星系形成提供了一種強有力的新方法。“宇宙機器”的研究結(jié)果，正如作者們所稱的那樣：幫助解決了一個長期存在的悖論，即為什么星系即使保留了大量的氫氣(恒星形成的原料)，也會停止形成新恒星。關(guān)于星系如何形成恒星的普遍觀點涉及到冷氣體在重力作用下坍縮成致密的小塊，從而產(chǎn)生恒星的復雜相互作用，而其他過程抵消了恒星的形成。

例如，人們認為大多數(shù)星系的中心都有超大質(zhì)量黑洞，落入這些黑洞的物質(zhì)會釋放出巨大能量，就像宇宙噴燈一樣，阻止氣體冷卻到足以坍縮成恒星托兒所的程度。同樣，在超新星爆炸中結(jié)束生命的恒星也參與了這一過程。暗物質(zhì)也扮演著重要角色，因為它提供了作用于星系中可見物質(zhì)的大部分引力，從星系周圍吸入冷氣體，并在此過程中使其升溫。當回到宇宙中越來越早的時候，預計暗物質(zhì)的密度會越來越大，因此氣體會變得越來越熱。

這不利于恒星的形成，所以研究人員認為早期宇宙中的許多星系應(yīng)該在很久以前就停止形成恒星了。但卻發(fā)現(xiàn)了相反的情況：特定大小的星系更有可能以更高速度形成恒星，這與預期相反。為了與實際星系的觀測結(jié)果相匹配，研究團隊必須創(chuàng)造出與之相反的虛擬宇宙，在這個虛擬宇宙中，星系持續(xù)大量產(chǎn)生恒星的時間要長得多。另一方面，如果研究人員根據(jù)目前的星系形成理論創(chuàng)造宇宙（宇宙中星系在早期停止形成恒星）這些星系看起來比天文學家在天空中看到的星系要紅得多。

星系呈現(xiàn)紅色有兩個原因，第一個現(xiàn)象在自然界中是顯而易見的，這與星系的年齡有關(guān)——如果星系形成于宇宙歷史的早期，那么它將以更快的速度遠離地球，將光線轉(zhuǎn)換成紅色光譜，天文學家稱這種效應(yīng)為紅移。另一個原因是內(nèi)在的：如果一個星系已經(jīng)停止形成恒星，那么星系所包含的藍色恒星就會減少，而藍色恒星通常會消亡的更快，只剩下更古老、更紅的恒星。

但并沒有這樣看到，如果星系行為像我們想象的那樣，并且更早地停止形成恒星，那么真實的宇宙就會被“涂上”完全錯誤的顏色。換句話說，星系在早期形成恒星的效率比想象的要高。這表明，超大質(zhì)量黑洞和爆炸恒星產(chǎn)生的能量抑制恒星形成的效率，低于理論預測。所以，創(chuàng)造前所未有的復雜模擬宇宙需要一種全新方法，不受計算能力和內(nèi)存的限制，并提供足夠的分辨率，從“小”物體(如超新星)到可觀測宇宙中相當大的一塊區(qū)域。

模擬一個星系需要10的48次方次計算操作，地球上所有的計算機加起來一百年也做不到這一點。所以，僅僅為了模擬一個星系，更不用說1200萬個星系了，但為了做到這一點，必須用不同的方法。除了利用美國宇航局艾姆斯研究中心和位于德國萊布尼茲-雷琴茨中心的計算資源外，該團隊還使用了UA高性能計算集群中的“Ocelote”超級計算機。兩千多處理器在三周內(nèi)同時處理這些數(shù)據(jù)。在這個研究項目過程中，創(chuàng)造模擬了超過800萬個不同的模擬宇宙。

科學家們利用過去20年的天文觀測數(shù)據(jù)，將觀測數(shù)據(jù)與模擬創(chuàng)造的數(shù)百萬個模擬宇宙進行了比較。收集了成千上萬條信息，看哪條匹配，模擬創(chuàng)造的宇宙看起來對嗎？如果沒有，研究人員會回去修改，再檢查一遍，直至匹配為止。為了進一步了解星系是如何形成的，研究團隊計劃擴展“宇宙機器”項目計劃，包括單個星系的形態(tài)以及形狀如何隨時間演變等。